一、逆向工程技術(shù)簡介
    隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)已成為產(chǎn)品設(shè)計人員進行研究開發(fā)的重要工具，其中的三維造型技術(shù)已被制造業(yè)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品及模具設(shè)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(shè)計人員接收的技術(shù)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(shè)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(yīng)用到了逆向工程技術(shù)（Reverse Engineering）。
    逆向工程技術(shù)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(xué)模型，用于產(chǎn)品的重新設(shè)計及數(shù)控加工以及結(jié)構(gòu)分析。它不同于我們通常的由二維草圖設(shè)計到三維立體模型設(shè)計再到加工或快速成型的設(shè)計思路，所以它是一種基于實體而沒有數(shù)學(xué)模型的設(shè)計方法。
    逆向工程技術(shù)與傳統(tǒng)的正向設(shè)計存在很大差別。傳統(tǒng)的正向產(chǎn)品造型設(shè)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(shè)計人員分析、構(gòu)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(shè)計計算與校核，形成產(chǎn)品稍完整的設(shè)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(shù)對其進行處理。它的設(shè)計流程如下圖所示，與傳統(tǒng)正向設(shè)計的不同之處在于設(shè)計的起點不同，相應(yīng)的設(shè)計自由度和設(shè)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(lǐng)域的實際應(yīng)用中，主要包括以下幾個內(nèi)容：
    （1）新零件的設(shè)計，主要用于產(chǎn)品的改型或彷型設(shè)計。
    （2）已有零件的復(fù)制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)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(shè)計。
    （4）損壞或磨損零件的還原和修復(fù)。
    （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(shù)為快速設(shè)計和制造提供了很好的技術(shù)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(shù)設(shè)計時，需要從設(shè)計對象中提取三維數(shù)據(jù)信息。三維掃描設(shè)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(gòu)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(yīng)用光學(xué)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(yīng)該根據(jù)測量對象的特點以及設(shè)計工作的要求確定合適的掃描方法并選擇相應(yīng)的掃描設(shè)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(yīng)盡量使用接觸式掃描儀。這種掃描儀成本較低，設(shè)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(yīng)用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件等設(shè)計與制造領(lǐng)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?？梢蕴幚韼兹f至幾百萬的點云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點云數(shù)據(jù)構(gòu)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(gòu)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(yīng)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(fù)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(fù)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(shè)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(shù)、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(shè)計前的準備工作
    做一個逆向設(shè)計的工作，可能比做一個正向設(shè)計更具有挑戰(zhàn)性。在設(shè)計一個產(chǎn)品之前，先必須盡量理解原有模型的設(shè)計思想，在此基礎(chǔ)上還可能要修復(fù)或克服原有模型上存在的缺陷。從某種意義上看，逆向設(shè)計也是一個重新設(shè)計的過程。在開始進行一個逆向設(shè)計前，應(yīng)該對零件進行仔細分析，主要考慮以下一些要點：
    （1）確定設(shè)計的整體思路，對自己手中的設(shè)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(shè)計人員會感覺到無從下手。這是應(yīng)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(shè)計的整體思路，并找到設(shè)計的難點，基本做到心中有數(shù)。
    （2）確定模型的基本構(gòu)成形狀的曲面類型，這關(guān)系到相應(yīng)設(shè)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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