逆向工程原理及应用

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1、逆向工程原理及应用传统以来，工业产品的开发均是循著序列严谨的研发流程，从功能与规格的预期指标确定开始，构思产品的零组件需求，再由各个元件的设计、制造以及检验零组件组装、检验整机组装、性能测试等程序来完成。每个元件都保留有原始的设计图，此设计图目前已广用CAD图档来保存。每个元件的加工也有所谓的工令图表，对复杂形状元件则以CAM软体产生NC加工档案来保存。每个元件的尺寸合格与否则以品管检验报告来记录。这些所记录的档案均属公司的智慧财产，一般通称机密(Know-how)。这种开发模式称为预定模式(Prescriptivemodel)，此类开发工程亦

2、通称为顺向工程(ForWardEngineering)。对每一元件来说，其顺向工程的流程。与之相反的称之为逆向工程，也称反求工程、反向工程等，其思想最初来自从油泥模型到产品实物的设计过程，但直到20世纪90年代，才开始引起各国工业界的高度重视。随着计算机技术，特别是数字测量技术的迅猛发展，RE技术能实现已有复杂外观造型的样件或实物模型、三维测量数据、三维产品模型、产品的一体化开发全过程，为制造业提供了一个全新的、高效的产品开发方案。除了在航空航天、汽车工业、模具行业、消费性电子产品、玩具等传统领域得到了广泛的应用外，RE技术也开始在人体工程，服

3、装、数字化博物馆、艺术品仿制与破损修复等领域得到应用。另外，在医学领域，如骨科颅骨修复、义耳义肢修复、假牙设计等方面都有应用。20世纪80年代中期发展起来的快速成型（RP）技术，是指在计算机的控制和管理下，有零件CAD模型直接驱动，采用材料精确堆积复杂三维实体的原型或零件的制造技术。RP技术彻底改变了制造业的生产技术，成为先进的CAD制造技术的重要组成部分，其最大特点在于制造的高柔性，即无需任何专用工具，可由零件的CAD模型，直接驱动设备完成零件或零件原型的成型制造。RP技术应用几乎包括了制造领域的各个行业，同时在医疗、人体工程、文物保护等行业

4、也获得了广泛的应用。逆向工程具有与传统设计制造过程截然不同的设计流程。在反求工程中，按照现有的零件原形进行设计生产，零件所具有几何特征与技术要求都包含在原形中；在传统的设计制造中，按照零件最终所要承担的功能以及各方面的影响因素，进行从无到有的设计。此外，从概念设计出发到最终形成CAD模型的传统设计是一个确定的明晰过程，而通过对现有零件原形数字化后在形成CAD模型的反求工程是一个推理，逼近的过程。逆向工程一般可分为四个阶段：　　第一步:零件原形的数字化　　通常采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描仪等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。　　第

5、二部:从测量数据中提取零件原形的几何特征　　按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。　　第三部:零件原形CAD模型的重建　　将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型。　　第四部:重建CAD模型的检验与修正　　采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的逆向工程设计要求。　　2)逆向工程中常用的测量方法　　逆向工程中

6、的测量方法可分成两类:接触式与非接触式。　　(1)接触式测量方法　　坐标测量机　　坐标测量机是一种大型精密的三坐标标测量仪器，可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行逆向工程测量。坐标测量机一般采用触发式接触测量头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值。九十年代初，英国Renishaw公司研制出一种三维力一位移传感的扫描测量头，该测头可以在工件上滑动测量，连续获取表面的坐标信息，扫描速度可达8米/秒，数字化速度最高可达500点/秒，精度约为0.03mm。这种测头价格昂贵，目前尚未在坐标测量机上广泛采用。坐标测量机主要优点是测量精度高，适应性强，但一

7、般接触式测头测量效率低，而且对一些软质表面无法进行逆向工程测量。　　层析法　　层析法是近年来发展的一种反求工程逆向工程技术，将研究的零件原形填充后，采用逐层铣削和逐层光扫描相结合的方法获取零件原形不同位置截面的内外轮廓数据，并将其组合起来获得零件的三维数据。层析法的优点在于任意形状，任意结构零件的内外轮廓进行测量，但测量方式是破坏性的。　　(2)非接触式逆向工程测量方法　　非接触式测量根据测量原理的不同，大致有光学测量、超声波测量、电磁测量等方式。以下仅将在反求工程中最为常用与较为成熟的光学测量方法（含数字图像处理方法）作一简要说明。　　基于光

8、学三角型原理的逆向工程扫描法　　这种测量方法根据光学三角型测量原理，以光作为光源，其结构模式可以分为光点、单线条、多光条等，将其投射到被测物体表面，并