逆向工程关键技术研究

郑州市热力总公司王

逆向工程关键技术研究

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逆向工程（RE，ReverseEngineering）主要是针对已有的产品原型，消化吸收和挖掘其中蕴含的产品设计、制造等方面的知识和经验，并以此为开端进行产品创新设计。随着计算机、数控和激光测量技术的飞速发展，逆向工程已不再是对已有产品进行简单的“复制”，其内涵与外延都已发生了深刻的变化，目前已成为航空、汽车、船舶、家电、模具制造等制造业领域中最重要的产品工业设计手段之一。

一、逆向工程技术研究现状

目前，国内外有关逆向工程的研究主要集中在产品几何形状，以及与“功能”要素相关的结构反求方面，即重建产品原型的数字化模型。因此，从产品几何模型重建的角度，逆向工程可狭义地定义为将产品原型转化为数字模型的有关计算机辅助设计、数字化测量和几何模型重建技术的总称。

在逆向工程中，计算机辅助几何设计技术主要在计算机图形系统环境下，用来进行曲面的表示、逼近、分析与综合。在这一领域目前已形成了以非均匀有理B样条参数曲面和隐式代数曲面为主体，以插值、拟合、逼近为手段的复杂曲面几何模型表示和处理的理论体系。

由于产品设计中大量地使用了直线、平面、二次曲线和二次曲面等几何要素，在逆向工程中，常常需要根据测量数据来提取这些几何要素的特征参数，因此解析几何方法也在逆向工程中得到了广泛的应用。

在对逆向工程中所获得的几何模型的分析、处理的过程中，涉及大量的曲线、曲面法矢的计算问题，而这些问题的解决必须依靠微分几何方法和理论。基于测量数据进行产品数字化重建的过程本身就是一个几何模型参数寻优问题，其中曲线、曲面拟合是优化技术在逆向工程中的典型应用。而小波技术则主要被用来进行曲面的光顺、测量点噪声的去除以及数据的压缩等方面。

在样本数据的整理、分析和提取方面，概率统计方法获得了成功的应用，它不但可以被用来去除测量数据中的噪声，而且还可以被用来发现测量数据中蕴含的设计规律。

在产品造型几何反求方面，研究工作面临的首要问题是点云数据的预处理问题。点云数据具有量大和离散两个主要特征，点云的预处理要达到使点云数据具备完整的拓扑关系和准确的法线、曲率等信息。目前，对点云数据的主要处理方法有点云分块、任意切片以及边界数据直接抽取等。

在实际的逆向工程的实施过程中，除了将产品表面拟合成参数曲面外，更多的场合是要进行截面曲线的反求、二次曲线和曲面的分割与重构、过渡曲线和曲面特征的提取与分析，以及拉伸、旋转和对称面特征的处理等方面的工作。在这些方面，目前国内外的研究成果很多，多数已实用化。

二、逆向工程技术发展需要解决的几个问题

1.原型的色彩和材质信息的处理与识别。在产品的几何数据反求方面，国内外都做了大量卓有成效的研究工作，取得了大量实用性很强的研究成果。但对工业设计过程中，色彩的运用，材质的选取，以及设计意图、造型规律的识别则帮助甚少。为此必须从工业设计的核心需求出发，使用最新的数码摄像测量技术解决工业设计过程中色彩和材质表现等方面信息的反求问题，使工业设计过程中的逆向工程技术形成一个完整的技术系统，更好地服务企业的实际应用。

2.产品设计意图、造型规律的分析与提取。与色彩和材质相比，工业设计过程中的设计意图与造型规律则是在更高层面反映了设计师的设计理念。设计意图与造型规律主要表现为全局性和整体性，这就要求在对它们的分析过程中，所采用的方法要能从原型结构比例，表面曲率分布以及与各类模板对比等宏观、微观多个角度出发来进行分析。

3.逆向工程中测量方法选用与测量方案规划。随着工业设计过程中，对逆向工程软硬件需求的不断增大，各类逆向工程设备大量出现，这些设备各具特色，如何在实际应用中合理地使用它们也是实际工程中一个难点，除了测量精度之外，如何提高测量的效率，如何软硬结合进一步提高逆向工程的质量等也是应该考虑的问题。

4.点云数据处理和边界识别技术。在原型的几何反求过程中，对点云数据的处理是必不可少的。其中规则化与后续CAD模型建立的关系较大，因为在通用的CAD系统中，曲面模型一般采用参数曲面来表示，而构建参数曲面一般要求原始数据呈拓扑矩形。点云的边界是指能够表达原型样件原始边界的测量点，或者由这些测量点连成的曲线。但由于目前逆向工程中所得到的点云数据量一般很大，因此研究高效、通用的点云处理方法在实际工程中是十分必要的。

5.产品原型制作中特殊材料的数控加工与粘接。目前，在工业设计过程中，各种模型主要通过手工或半手工制作，不但对技师或工人的技术水平要求高，而且制作精度差，效率低。比如，在车辆设计中普遍采用油泥模型，在模型制作的过程中，一般由设计师用刀片对模型进行制作与修正。由于目前我国缺乏能胜任此项工作的高级人才，致使国内企业的模型制作水平较低，无法满足企业的需要，这种状况已严重阻碍了相关技术的进步和工作效率的提高。在这种状况下，根据我国的实际，探索使用数控机床来完成油泥模型及其他造型材料的加工，是十分必要的，也是可行的。