反向工程技术的概念与发展

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一、反向工程的概念
1.正向工程：将工程概念或工程设计模型，通过设计、制造，转变为实物模型或产品模型的过程。反向工程：将实物模型或产品模型，通过测量、分析，转变为工程概念或工程设计模型的过程。或称逆向工程、反求工程（ReverseEngineering）。
2.反向工程技术，是以实物（产品）、软件、图纸、程序、技术文件、影像（图片、照片）作为研究对象，应用现代设计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识（测量学、信号自动处理）进行系统深入的分析和研究，是一种快捷的新产品开发技术。
反向工程技术反求内容广泛，包括：产品的结构和工作原理、产品的材料和力学性能、制造产品的技术资料（图纸、制造工艺、装配工艺、产品检验）、产品技术标准（型号、规格、标准）。其本质是对先进产品进行消化、吸收，再开发和创新，设计和制造出具有竞争力的新产品。缩短新产品的开发周期，提高新产品开发的一次成功率，从而提高企业在市场中的竞争力。
3.反向工程技术主要应用于：产品（零件）的仿制和复制，复杂产品（零件）的设计，产品（零件）的检验、改进设计，复杂形体的CAD建模，产品设计与快速成形技术等。
二、反向工程技术的发展
1.“反向工程”作为学术术语的提出，出现在20世纪60年代。而“反向工程”的思维和技术，可追溯到二战结束后。
二战结束后，战败国急于恢复和振兴经济。日本在60年代初提出科技立国方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最为突出。在应用反向工程技术上，日本具有典型性：
●二战后，1950年日本国民生产总值为英国的1/29、法国的1/38。目前，是世界第二经济强国。
●1945～1970年，引进国外先进技术（80%为专利、图纸）投资60亿美元。（自行研制1800～2000亿美元）
●掌握每项技术需2～3年。（自行研制需12～15年）
●60年代中期，机械工业研究经费16.9%用于引进，68.1%用于消化、改造。
●日本政府推算，采用反向工程技术，节省约2/3的研究时间、9/10的研究经费。
2.一些产品的设计是从实物模型开始的，例如：1）汽车设计：概念车→三维测量→工业设计。2）文物的复制：文物→三维测量→仿制。3）建筑设计：建筑模型→审查、修改→工程设计。等等。
3.计算机技术和信息技术的发展，大大促进反向工程技术的发展。
1）快速成形技术——快速设计与原型制造、复杂零件建模与制造、人体器官建模与生医制造。
2）影视动画技术——人体模型的建立、实物建模。
3）CAD/CAM技术——CAD建模技术、数字化制造技术。
反向工程技术应用计算机建模、仿真技术，对机械产品工作原理、机械性能、加工制造的反求设计进行优化，提高新产品开发的一次成功率。采用：
1）CAD设计、人因工程、工业设计→进行结构、外观优化。
2）运动学、动力学建模、仿真→进行工作原理优化。
3）制造过程建模仿真、并行工程→进行制造工艺优化。
4．反向工程技术的分类
1）按产品的制造过程分：
设计反求－建立产品的CAD模型。
工艺反求－产品所使用的材料、产品的加工工艺（制造工艺、装配工艺）。
管理反求－产品制造过程管理和质量控制。
2）按反求的目标分：
实物反求－建立产品的CAD模型。
软件反求－软件、加工的工艺规范、技术文档、质量管理。
影像反求－影视画面。
三、产品设计反向工程的关键技术
1.实物（产品）形体尺寸的三维测量技术。
2.测量数据的前处理技术。包括：测量数据的坏点、测量误差的去除，多视图测量数据的整体拼接，冗余数据的去除，测量数据的简化和优化，等等。
3.测量数据的CAD反向建模技术。包括：测量数据的分割和曲面拟合，被测实物的CAD模型重构技术等。
4.反向工程的接口技术。包括：测量数据与快速成形系统的接口（STL文件），测量数据与CNC设备的接口（DXF、IGES、点云文件），测量数据与CAD/CAM系统的接口（DXF、IGES、STEP文件），以实现与现有的制造设备、CAD/CAE/CAM等软件的数据交换。
四、形体的三维数字化技术
三维接触式测量
三坐标测量机，特点：a.测量精度高，达0.5um。b.测量速度慢。c.工作环境要求高。d.需进行探头补偿。
三维无接触式测量
●激光扫描法。a.利用三角测量原理。B.分点扫描、线扫描两种方式。c.测量速度中等。d.被测表面要求漫反射。e.精度0.1-0.5mm。
●密栅云纹法。分影像云纹法和投影云纹法，其工作原理为，将栅线投影到被测物体表面，栅线在被测物体上被调制，被调制图象与基准栅图象产生干涉，得到反映被测物体形状变化的密栅云纹图象，经图象处理后，得到物体的三维尺寸。密栅云纹法进行物体外形三维测量，产生等高线云纹，高度变化观察直观，精度较低，0.5～1mm左右，影像云纹法由于受基准栅板面积限制，测量面积小。投影云纹法采用基准栅线投影的方式，测量面较大，可达2×3M2。
●投影栅相位法。其工作原理为，将栅线投影到被测物体表面，栅线在被测物体上产生相位变化，对测量栅线图像进行傅立叶解相和相展开，根据相位得到物体的三维尺寸。其特点为；只需拍摄一幅图像，用付立叶解相处理，精度约为0.1~0.5mm。
●结构光扫描法。投影多幅平行栅线，采用相移法和计算机视觉技术相结合方法，进行物体的三维无接触测量。其特点为，测量精度高，达0.03~0.1mm，拼接精度为0.1mm左右，操作简便。
●多视图拼接方法。根据被测物体的特征或标志，求出旋转矩阵R和平移矩阵T，进行坐标变换，将不同视图下不同坐标系的测量数据，转换到统一坐标系。有转台拼接法、标志点拼接法、编码标志点拼接法等。原理：对被测物体去除一层，测量一次轮廓。为快速成型的反过程，属破坏性测量。特点：测量精度高，达0.01mm，层间距离最小0.01mm，可以对物体内部型腔进行测量，测量速度慢，破坏被测物体。
五、点云测量数据的CAD建模技术
点云测量数据的CAD建模，基本分数据预处理、测量点云数据的分割、曲面拟合和重构三部分。
1.数据预处理。
完成去除坏点（阈值判断法），补充缺少点，消除测量误差（数字滤波，平均值滤波），去除数据缝合时重迭的冗余数据等。
2.测量点云数据的分割。
被测物体很难只用一个曲面模型表示，必须将点云数据进行分割（分块），形成多个曲面模型，曲面片之间光滑过渡，才能较好进行物体模型重构，减少计算量，便于修改，同时保证精度。分割原则为：数据块的凸凹性一致，曲面重构时态性较好。分割方法有：a)基于曲率法（规则数据）。b)基于边（散乱数据）（边界特征）。c)基于面（散乱数据）（面特征）。
3.曲面拟合和重构。
曲面重构分为两类：1)代数法曲面重构——用代数法描述曲面形体，局限性较大。2)参数法曲面重构——在跨界连续性、曲面约束及局部控制上表现良好，被普遍采用。常用有：Bezier、B样条、NURBS、三角Bezier方法。
在参数化曲面重构中，根据源数据特征分：1）栅格数据重构－Bezier、B样条、NURBS。2）散乱数据重构－三角Bezier。NUBS曲面重构的难点有：1）权值、节点、参数和控制点值的确定。2）先后顺序和约束准则的确定，往往不明确。3）由于有理式存在，需寻求求解方程的方法。
六、反向工程的研究和应用现状
目前，正向工程CAD/CAM技术比较成熟，已有功能强的商品化软件。反向工程处于研究、开发阶段，CAD/CAM软件公司都在自己的CAD/CAM软件上，开发和集成反向工程模块，但功能很不完善，操作性差。
国外出现的商品化反求工程软件有：
Surfacer（美国Imageware公司），Pro/E中Pro/SCAN（美国PTC公司），Strim100（法国Matra公司），CopyCAD（英国DelCAM公司），TRACE（英国Renishaw公司），UG/PointCloud（美国EDS公司），Cimatron90/RE（以色列Cimatron公司），ICEM/Surf等。
以上软件在反向工程上未达到成熟程度，主要不足是，曲面拟合精度差，交互定义多，自动化程度低，接收和适用的点云数据范围小，多视图拼合问题无法自动处理等。
国内开发的反求软件有：
Re-Soft软件（浙江大学），JdRE软件（西安交通大学），以及上海交通大学、昆明理工大学、中科院沈阳自动化所所做的研究和开发的软件。
七、反向工程未来的发展方向
1.提高曲面重构的通用性和适用面（有序点云、无序点云；Bezier、B样条、NURBS、三角Bezier）。
2.提高曲面重构的精度和自动化程度。
3.建立测量、数据预处理、曲面重构的一体化系统。
4.与现有商品化CAD/CAE/CAM系统的集成。
5.与快速成形制造系统的集成。