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【摘要】 随着测量技术和计算机技术的发展，以实体为研究对象，利用逆向工程技术对产品进行建模、仿真、优化及新产品开发成为现代设计的一大热点。
【关键词】 机械零件；实体建模；逆向工程
在实际开发制造过程中，设计人员接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型，但很多时候，却是从上游厂家得到产品的实物模型。没有图纸或CAD数据档案，工程人员无法得到准确的尺寸，制造模具就更为烦杂。用传统的雕刻方法，时间长且效果不佳，这时候就需要一个一体化的解决方案：从样品→数据→产品，逆向工程系统就专门为制造业提供了一个全新、高效的三维制造路线。这就是模具制造中拥有的“逆向思维”，即逆向工程。
一、逆向工程的概念
逆向工程是由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合反求软件进行曲向重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成IGES或STL数据，据此就能进行快速成型或CNC数控加工。
逆向工程技术与传统的正向设计存在很大的差别。概括地说, 正向设计工程是由概念到CAD模型,再到实物模型的开发过程；而逆向工程则是由实物模型到CAD模型的过程, 对实物模型进行三维数字化处理, 构造实物的CAD模型, 并利用各种成熟的CAD/ACE/CAM以及CIMS 等先进技术进行再创新设计。
二、逆向工程技术实施的条件
1、硬件条件
不同的测量对象和测量目的，决定了测量过程和测量方法的不同。在实际三坐标测量时，应该根据测量对象的特点以及设计工作的要求确定合适的扫描方法并选择相应的扫描设备。例如，材质硬且形状较为简单、容易定位的物体，应尽量使用接触式扫描仪。这种扫描仪成本较低，设备损耗费相对较少，且可以输出扫描形式，便于扫描数据的进一步处理。但在对橡胶、油泥、人体头像或超薄形物体进行扫描时，则需要采用非接触式测量方法，它的特点是速度快，工作距离远，无材质要求，但设备成本较高。
2、软件条件
具体应用的反向工程系统主要有以下几个：Evans开发的针对机械零件识别的逆向工程系统；Dvorak开发的仿制旧零件的逆向工程系统；H.H.Danzde CNC CMM系统。这些系统对逆向设计中的实际问题进行处理，极大地方便了设计人员。此外，一些大型CAD软件也逐渐为逆向工程提供了设计模块。例如Pro/E的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模块，可以接受有序点(测量线)，也可以接受点数据。其它的象UG软件，随着版本的改进，逆向工程模块也逐渐丰富起来。这些软件的发展为逆向工程的实施提供了软件条件。。
三、逆向工程的应用领域
逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持,为后续的产品制造、加工及模具设计等工作提供了基础, 它已成为制造业信息传递的重要而简洁的途径之一。
逆向工程的应用领域大致可分为以下几种情况:
(1)在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，在对零件原型进行测量的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据生成数控加工的NC代码，加工复制出一个相同的零件。
(2)当要设计必须通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试(如风洞实验等) 建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。
(3)在美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果。此外，如电脑仿型、礼品创意开发等都需用逆向工程的设计方法。
四、逆向工程数据测量技术
现有的数据采集方法主要分为两大类：接触式数据采集方法和非接触式数据采集方法。
1、接触式数据采集方法
接触式数据采集方法包括使用基于力的击发原理的触发式数据采集和连续式扫描数据采集、磁场法、超声波法。接触式数据采集通常使用三坐标测量机，测量时可根据实物的特征和测量的要求选择测头及其方向，确定测量点数及其分布，然后确定测量的路径，有时还要进行碰撞的检查。
2、非接触式数据采集方法
非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采集，主要包括：激光三角形法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等。非接触式数据采集速度快、精度高，排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题，获得的密集点云信息量大、精度高，测头产生的光斑也可以做得很小，可以探测到一般机械测头难以测量的部位，最大限度地反映被测表面的真实形状。
五、逆向工程的研究现状及发展趋势
逆向工程的研究已经日益引人注目，在数据处理、曲面片拟合、几何特征识别、商用专业软件和坐标测量机的研究开发上已经取得了很大的成绩。但是在实际应用当中，整个过程仍需要大量的人机交互工作，操作者的经验和素质直接影响着产品的质量，自动重建曲面的光顺性难以保证，下面一些关键技术将是逆向工程主要发展方面：
(1)数据测量方面：发展面向逆向工程的专用测量设备，能够高速、高精度的实现产品几何形状的三维数字化，并能进行自动测量和规划路径。
(2)数据的顶处理方面：针对不同种类的测量数据，开发研究一种通用的数据处理软件，完善改进目前的数据处理算法。
(3)曲面拟合：能够控制曲面的光顺性和能够进行光滑拼接。
(4)集成技术：发展包括测量技术、模型重建技术、基于网络的协同设计和数字化制造技术等的逆向工程技术。
参考文献：
[1]梁海峰、蔡军、韦凯军，逆向工程在实际应用过程中的关键环节与技术[J]，机械研究与应用， 2007，(05).
[2]熊光楞、刘义，图形技术在系统仿真中的应用[J]计算机仿真，1994，(03).
[3]叶振合,李鑫,夏志良,郑泽锋，逆向工程在产品设计中的应用[A]，2005年工业设计国际会议论文集[C]，2005
[4]周术诚，三维复杂形状拼接与破碎物体复原技术研究[D]，西北大学，2007.
[5]鞠华，逆向工程中自由曲面的数据处理与误差补偿研究[D]，浙江大学，2003
[6]刘阳、唐罗生、李圣怡、吴琦、艾长双，快速逆向工程技术及其在产品开发中的应用[J]，机械设计与制造，1999，(01).
【关键词】 机械零件；实体建模；逆向工程
在实际开发制造过程中，设计人员接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型，但很多时候，却是从上游厂家得到产品的实物模型。没有图纸或CAD数据档案，工程人员无法得到准确的尺寸，制造模具就更为烦杂。用传统的雕刻方法，时间长且效果不佳，这时候就需要一个一体化的解决方案：从样品→数据→产品，逆向工程系统就专门为制造业提供了一个全新、高效的三维制造路线。这就是模具制造中拥有的“逆向思维”，即逆向工程。
一、逆向工程的概念
逆向工程是由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合反求软件进行曲向重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成IGES或STL数据，据此就能进行快速成型或CNC数控加工。
逆向工程技术与传统的正向设计存在很大的差别。概括地说, 正向设计工程是由概念到CAD模型,再到实物模型的开发过程；而逆向工程则是由实物模型到CAD模型的过程, 对实物模型进行三维数字化处理, 构造实物的CAD模型, 并利用各种成熟的CAD/ACE/CAM以及CIMS 等先进技术进行再创新设计。
二、逆向工程技术实施的条件
1、硬件条件
不同的测量对象和测量目的，决定了测量过程和测量方法的不同。在实际三坐标测量时，应该根据测量对象的特点以及设计工作的要求确定合适的扫描方法并选择相应的扫描设备。例如，材质硬且形状较为简单、容易定位的物体，应尽量使用接触式扫描仪。这种扫描仪成本较低，设备损耗费相对较少，且可以输出扫描形式，便于扫描数据的进一步处理。但在对橡胶、油泥、人体头像或超薄形物体进行扫描时，则需要采用非接触式测量方法，它的特点是速度快，工作距离远，无材质要求，但设备成本较高。
2、软件条件
具体应用的反向工程系统主要有以下几个：Evans开发的针对机械零件识别的逆向工程系统；Dvorak开发的仿制旧零件的逆向工程系统；H.H.Danzde CNC CMM系统。这些系统对逆向设计中的实际问题进行处理，极大地方便了设计人员。此外，一些大型CAD软件也逐渐为逆向工程提供了设计模块。例如Pro/E的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模块，可以接受有序点(测量线)，也可以接受点数据。其它的象UG软件，随着版本的改进，逆向工程模块也逐渐丰富起来。这些软件的发展为逆向工程的实施提供了软件条件。。
三、逆向工程的应用领域
逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持,为后续的产品制造、加工及模具设计等工作提供了基础, 它已成为制造业信息传递的重要而简洁的途径之一。
逆向工程的应用领域大致可分为以下几种情况:
(1)在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，在对零件原型进行测量的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据生成数控加工的NC代码，加工复制出一个相同的零件。
(2)当要设计必须通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试(如风洞实验等) 建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。
(3)在美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果。此外，如电脑仿型、礼品创意开发等都需用逆向工程的设计方法。
四、逆向工程数据测量技术
现有的数据采集方法主要分为两大类：接触式数据采集方法和非接触式数据采集方法。
1、接触式数据采集方法
接触式数据采集方法包括使用基于力的击发原理的触发式数据采集和连续式扫描数据采集、磁场法、超声波法。接触式数据采集通常使用三坐标测量机，测量时可根据实物的特征和测量的要求选择测头及其方向，确定测量点数及其分布，然后确定测量的路径，有时还要进行碰撞的检查。
2、非接触式数据采集方法
非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采集，主要包括：激光三角形法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等。非接触式数据采集速度快、精度高，排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题，获得的密集点云信息量大、精度高，测头产生的光斑也可以做得很小，可以探测到一般机械测头难以测量的部位，最大限度地反映被测表面的真实形状。
五、逆向工程的研究现状及发展趋势
逆向工程的研究已经日益引人注目，在数据处理、曲面片拟合、几何特征识别、商用专业软件和坐标测量机的研究开发上已经取得了很大的成绩。但是在实际应用当中，整个过程仍需要大量的人机交互工作，操作者的经验和素质直接影响着产品的质量，自动重建曲面的光顺性难以保证，下面一些关键技术将是逆向工程主要发展方面：
(1)数据测量方面：发展面向逆向工程的专用测量设备，能够高速、高精度的实现产品几何形状的三维数字化，并能进行自动测量和规划路径。
(2)数据的顶处理方面：针对不同种类的测量数据，开发研究一种通用的数据处理软件，完善改进目前的数据处理算法。
(3)曲面拟合：能够控制曲面的光顺性和能够进行光滑拼接。
(4)集成技术：发展包括测量技术、模型重建技术、基于网络的协同设计和数字化制造技术等的逆向工程技术。
参考文献：
[1]梁海峰、蔡军、韦凯军，逆向工程在实际应用过程中的关键环节与技术[J]，机械研究与应用， 2007，(05).
[2]熊光楞、刘义，图形技术在系统仿真中的应用[J]计算机仿真，1994，(03).
[3]叶振合,李鑫,夏志良,郑泽锋，逆向工程在产品设计中的应用[A]，2005年工业设计国际会议论文集[C]，2005
[4]周术诚，三维复杂形状拼接与破碎物体复原技术研究[D]，西北大学，2007.
[5]鞠华，逆向工程中自由曲面的数据处理与误差补偿研究[D]，浙江大学，2003
[6]刘阳、唐罗生、李圣怡、吴琦、艾长双，快速逆向工程技术及其在产品开发中的应用[J]，机械设计与制造，1999，(01).