一、逆向工程技術簡介
    隨著計算機技術的發(fā)展，CAD技術已成為產(chǎn)品設計人員進行研究開發(fā)的重要工具，其中的三維造型技術已被制造業(yè)廣泛應用于產(chǎn)品及模具設計、方案評審、自動化加工制造及管理維護各個方面。在實際開發(fā)制造過程中，設計人員接收的技術資料可能是各種數(shù)據(jù)類型的三維模型，但很多時候，卻是從上游廠家得到產(chǎn)品的實物模型。設計人員需要通過一定的途徑，將這些實物信息轉(zhuǎn)化為CAD模型，這就應用到了逆向工程技術（Reverse Engineering）。
    逆向工程技術的工程概念是：通過對已有產(chǎn)品模型進行三維數(shù)字化掃描，來獲取產(chǎn)品模型的表面輪廓的點云數(shù)據(jù)，將點云數(shù)據(jù)通過專業(yè)逆向工程軟件進行處理，最終形成三維數(shù)學模型，用于產(chǎn)品的重新設計及數(shù)控加工以及結(jié)構分析。它不同于我們通常的由二維草圖設計到三維立體模型設計再到加工或快速成型的設計思路，所以它是一種基于實體而沒有數(shù)學模型的設計方法。
    逆向工程技術與傳統(tǒng)的正向設計存在很大差別。傳統(tǒng)的正向產(chǎn)品造型設計，一般是對市場進行調(diào)研并確定了大量需求信息后，由設計人員分析、構思產(chǎn)品模型的概念，草繪出產(chǎn)品零件平面圖，進行必要的設計計算與校核，形成產(chǎn)品稍完整的設計方案后，即著手完成三維簡約幾何造型，再根據(jù)需要繪制效果圖、三視圖或試做簡易的實物模型。而逆向工程則是從產(chǎn)品原型出發(fā)，進而獲取產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，使得能夠進一步利用CAD/CAE/CAM以及CIMS等先進技術對其進行處理。它的設計流程如下圖所示，與傳統(tǒng)正向設計的不同之處在于設計的起點不同，相應的設計自由度和設計要求也不相同。
    一般來說，產(chǎn)品逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等幾個方面，在工業(yè)領域的實際應用中，主要包括以下幾個內(nèi)容：
    （1）新零件的設計，主要用于產(chǎn)品的改型或彷型設計。
    （2）已有零件的復制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設計意圖，進行數(shù)據(jù)管理和存檔。
    （3）從已有產(chǎn)品零件直接快速生成STL模型，用于快速成型（RP）或模具設計。
    （4）損壞或磨損零件的還原和修復。
    （5）數(shù)字化模型的檢測，例如檢驗產(chǎn)品的變形分析、有限元分析等，以及進行模型的比較。
    逆向工程技術為快速設計和制造提供了很好的技術支持，它已經(jīng)成為制造業(yè)信息傳遞的重要而簡潔途徑之一。
    二、三維數(shù)據(jù)獲取的硬件條件
    在逆向工程技術設計時，需要從設計對象中提取三維數(shù)據(jù)信息。三維掃描設備的發(fā)展為產(chǎn)品三維信息的獲取提供了硬件條件。目前，就測頭結(jié)構原理來說，可分為接觸式和非接觸式兩種，其中，接觸式測頭又可分為硬測頭和軟測頭兩種，這種測頭與被測頭物體直接接觸，獲取數(shù)據(jù)信息。非接觸式測頭則是應用光學及激光的原理進行的。

    不同的測量對象和測量目的，決定了測量過程和測量方法的不同。在實際三坐標測量時，應該根據(jù)測量對象的特點以及設計工作的要求確定合適的掃描方法并選擇相應的掃描設備。例如，材質(zhì)為硬質(zhì)且形狀較為簡單、容易定位的物體，應盡量使用接觸式掃描儀。這種掃描儀成本較低，設備損耗費相對較少，且可以輸出掃描形式，便于掃描數(shù)據(jù)的進一步處理。但在對橡膠、油泥、人體頭像或超薄形物體進行掃描時，則需要采用非接觸式測量方法，它的特點是速度快，工作距離遠，無材質(zhì)要求，操作簡易方便。

    三、常用逆向工程軟件簡介

    目前比較常用的四大逆向工程軟件有Imageware、Geomagic、CopyCAD以及RapidForm。
    （1）Imageware由美國EDS公司出品，是著名的逆向工程軟件，正被廣泛應用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件等設計與制造領域。Imageware作為UG NX中提供的逆向工程造型軟件，具有強大的測量數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測功能。可以處理幾萬至幾百萬的點云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點云數(shù)據(jù)構造的A級曲面具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。ImageWare的模型檢測功能可以方便、直觀地顯示所構造的曲面模型與實際測量數(shù)據(jù)之間的誤差以及平面度、真圓度等幾何公差。
    （2）Geomagic由美國Raindrop (雨滴)公司出品的逆向工程和三維檢測軟件。Geomagic Studio可輕易地從掃描所得的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動轉(zhuǎn)換為 NURBS曲面。該軟件也是除了Imageware以外應用最為廣泛的逆向工程軟件。
    Geomagic Studio主要包括Qualify、Shape、Wrap、Decimate、Capture 五個模塊。主要功能包括：自動將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多邊形（Polygons）、快速減少多邊形數(shù)目（Decimate）、把多邊形轉(zhuǎn)換為NURBS曲面、 曲面分析（公差分析等)及輸出與CAD/CAM/CAE匹配的文件格式（IGS、STL、DXF等）。
    （3）CopyCAD是由英國DELCAM公司出品的功能強大的逆向工程系統(tǒng)軟件，它能允許從已存在的零件或?qū)嶓w模型中產(chǎn)生三維CAD模型。該軟件為來自數(shù)字化數(shù)據(jù)的 CAD 曲面的產(chǎn)生提供了復雜的工具。CopyCAD能夠接受來自坐標測量機床的數(shù)據(jù)，同時跟蹤機床和激光掃描器。
    CopyCAD簡單的用戶界面允許用戶在盡可能短的時間內(nèi)進行生產(chǎn)，并且能夠快速掌握其功能，即使對于初次使用者也能做到這點。使用CopyCAD的用戶將能夠快速編輯數(shù)字化數(shù)據(jù)，產(chǎn)生具有高質(zhì)量的復雜曲面。該軟件系統(tǒng)可以完全控制曲面邊界的選取，然后根據(jù)設定的公差能夠自動產(chǎn)生光滑的多塊曲面，同時，CopyCAD還能夠確保在連接曲面之間的正切的連續(xù)性。
    （4）RapidForm是韓國INUS公司出品的全球四大逆向工程軟件之一，RapidForm 提供了新一代運算模式，可實時將點云數(shù)據(jù)運算出無接縫的多邊形曲面，使它成為三維掃描后處理之最佳化的接口。
    RapidForm主要優(yōu)勢包括：多點云數(shù)據(jù)管理介面、多點云處理技術、快速點云轉(zhuǎn)換成多邊形曲面的計算法、彩色點云數(shù)據(jù)處理及點云合并功能。
    四、逆向工程設計前的準備工作
    做一個逆向設計的工作，可能比做一個正向設計更具有挑戰(zhàn)性。在設計一個產(chǎn)品之前，先必須盡量理解原有模型的設計思想，在此基礎上還可能要修復或克服原有模型上存在的缺陷。從某種意義上看，逆向設計也是一個重新設計的過程。在開始進行一個逆向設計前，應該對零件進行仔細分析，主要考慮以下一些要點：
    （1）確定設計的整體思路，對自己手中的設計模型進行系統(tǒng)地分析。面對大批量、無序的點云數(shù)據(jù)，初次接觸的設計人員會感覺到無從下手。這是應首先要周全地考慮好先做什么，后做什么，用什么方法做，主要是將模型劃分為幾個特征區(qū)，得出設計的整體思路，并找到設計的難點，基本做到心中有數(shù)。
    （2）確定模型的基本構成形狀的曲面類型，這關系到相應設計軟件的選擇和軟件模塊的確定。對于自由曲面，例如汽車、摩托車的外覆蓋件和內(nèi)飾件等，一般需要采用具有方便調(diào)整曲線和曲面的模塊；對于初等解析曲面件，如平面、圓柱面、圓錐面等則沒必要因為有測量數(shù)據(jù)而用自由曲面去擬合一張顯然是平面或圓柱面的曲面。
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