逆向工程技術及應用
文章導讀：
核心提示：向工程專門為制造業提供了一個全新、高效的重構手段，實現從實際物體到幾何建模的直接轉換。逆向工程技術涉及計算機圖形學、計算。
逆向工程專門為制造業提供了一個全新、高效的重構手段，實現從實際物體到幾何建模的直接轉換。逆向工程技術涉及計算機圖形學、計算機圖像處理、微分幾何、概率統計等學科，是CAD領域最活躍的分支之一。
逆向工程技術及應用
為適應現代先進制造技術的發展，需將實物樣件或手工模型轉化為CAD數據，以便利用快速成形系統、計算機輔助系統等對其進行處理，并進行修改和優化設計。
逆向工程專門為制造業提供了一個全新、高效的重構手段，實現從實際物體到幾何建模的直接轉換。逆向工程技術涉及計算機圖形學、計算機圖像處理、微分幾何、概率統計等學科，是CAD領域最活躍的分支之一。
一．逆向工程技術定義
逆向工程技術與傳統的產品正向設計方法不同，它是根據已存在的產品或零件原型構造產品或零件的工程設計模型，在此基礎上對已有產品進行剖析、理解和改進，是對已有設計的再設計。其主要任務是將原始物理模型轉化為工程設計概念或產品數字化模型，一方面為提高工程設計、加工分析的質量和效率提供充足的信息，另一方面為充分利用CAD/CAE/CAM技術對已有的產品進行設計服務。
二．逆向工程分類
1.實物逆向：顧名思義，它是在已有實物條件下，通過試驗、測繪和分折，提出再創造的關鍵，其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結構、材質、精度、使用規范等多方面的逆向。實物逆向對象可以是整機、部件、組件和零件。
2.軟件逆向：產品樣本、技術文件、設計書、使用說明書、圖紙、有關規范和標準、管理規范和質量保證手冊等均稱為技術軟件。軟件逆向中有三類情況：1）既有實物，又有全套技術軟件；2）有實物而無技術軟件；3）無實物，僅有全套或部分技術軟件。
3.影像逆向：無實物，無技術軟件，僅有產品相片、圖片、廣告介紹、參觀印象和影視畫面等，要從其中去構思、想象來逆向，稱為影像逆向，這是逆向對象中難度最大的。影像逆向本身就是創新過程，目前還未形成成熟的技術，一般要利用透視變換和透視投影，形成不同透視圖，從外形、尺寸、比例和專業知識，去琢磨其功能和性能，進而分析其內部可能的結構。
三．逆向工程測量系統
1.接觸式測量：根據測頭的不同，可分為觸發式和連續式。應用最為廣泛的三坐標測量機是20世紀60年代發展起來的新型高效精密測量儀器，是有很強柔性的大型測量設備。
2.非接觸式測量：根據原理的不同，可分為三角形法、結構光法、計算機視覺法、激光干涉法、激光衍射法、CT測量法、MRI測量法、超聲波法和層析法等。
四．逆向工程技術流程
1.逆向工程是以一個物理零件或模型作為開始，進而決定下游工程。
2.點處理過程：主要包括多視點云的拼合、點云過濾、數據精簡和點云分塊等。
3.曲線處理過程：決定所要創建的曲線類型。曲線可以設計得與點的片段相同，或讓曲線更光滑些；由已存在的點創建出曲面；檢查/修改曲線，檢查曲線與點或其它曲線的精確度、平滑度與連續的相關性。
4.曲面處理過程：決定所要創建的曲面類型，可以選擇創建的曲面以精確為主或以光滑為主，或兩者居中；由點云或曲線創建曲面；檢查/修改曲面，檢查曲面與點或其它曲面或特征的精確度、平滑度與連續的相關性。
5.誤差分析：應該考慮被測物對機構引起的綜合軌跡誤差、逆向工程設計所依據的數據值存在的測量誤差、設計中的被測物存在的加工誤差、設計中的曲線擬合存在的擬合誤差等方面。
五．逆向工程技術的常用軟件
1. Geomagic（美國RainDrop公司的）逆向工程軟件，具有豐富的數據處理手段，可以根據測量數據快速構造出多張連續的曲面模型。
2. Imageware作為UG NX中提供的逆向工程造型軟件，具有強大的測量數據處理、曲面造型、誤差檢測功能，可以處理幾萬至幾百萬的點云數據。根據這些點云數據構造的A級曲面（CLASS A）具有良好的品質和曲面連續性。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據之間的誤差以及平面度、真圓度等幾何公差。
3. CopyCAD（英國DELCAM公司系列產品），主要處理測量數據的曲面造型。DELCAM的產品涵蓋了從設計到制造、檢測的全過程；包括PowerSHAPE、PowerMILL、PowerINSPECT、ArtCAM、CopyCAD、PS-TEAM等諸多軟件產品。CopyCAD系列中的其它軟件可以很好地集成。
4. RapidForm（韓國INUS公司開發）逆向工程軟件，主要用于處理測量、掃描數據的曲面建模以及基于CT數據的醫療圖像建模，還可以完成藝術品的測景建模以及高級圖形生成。RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、曲面檢測的工具，用戶可以方便地利用以前構造的曲線網格，經過縮放處理后，應用到新的模型重構過程中。
六．逆向工程技術的應用領域
逆向工程已成為聯系新產品開發過程中各種先進技術的紐帶，并成為消化、吸收先進技術，實現新產品快速開發的重要技術手段。其主要應用領域如下：
1.對產品外形美學有特別要求的領域，由于設計師習慣于依賴3D實物模型對產品設計進行評估，因此產品幾何外形通常不是應用CAD軟件直接設計的，而是首先制作全尺寸的木質或粘土模型或比例模型，然后利用逆向工程技術重建產品數字化模型。
2.當設計需經實驗才能定型的工件模型時，通常采用逆向工程的方法，例如航天航空、汽車等領域，為了滿足產品對空氣動力學等的要求，需進行風洞等實驗，建立符合要求的產品模型。此類產品通常是由復雜的自由曲面拼接而成的，最終借助逆向工程，轉換為產品的三維CAD模型及其模具。
3.在模具行業，常需通過反復修改原始設計的模具型面，這將實物通過數據測量與處理產生與實際相符的產品數字化模型，對模型修改后再進行加工，將顯著提高生產效率。因此，逆向工程在改型設計方面，可發揮正向設計不可替代的作用。
4.逆向工程也廣泛用于修復破損的文物、藝術品、或缺乏供應的損壞零件等。
5.借助于工業CT技術，逆向工程不僅可以產生物體的外部形狀，而且可以快速發現、定位物體的內部缺陷。
