隨著科技的發(fā)展和市場競爭的越來越大，對產(chǎn)品的設(shè)計提出了更高的要求。即產(chǎn)品的多樣化、外形美觀更高、更新?lián)Q代周期也在變短短;同時也促進了產(chǎn)品制造過程的發(fā)展;近年來，許多產(chǎn)品的設(shè)汁、制造要求基于現(xiàn)有的原型或?qū)嵨铮虼水a(chǎn)生了逆向工程的概念。逆向工程是指根據(jù)實物模型測定的數(shù)據(jù)，構(gòu)造出CAD模型的過程。其主要目的是在不能輕易獲得必要的生產(chǎn)信息的情況下，直接從成品分析，推導(dǎo)出產(chǎn)品的設(shè)計原理。逆向工程為客戶和制造者在并行工程環(huán)境下應(yīng)用快速原型技術(shù)提供了強有力的工具，是縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的有效途徑。特別是形狀復(fù)雜的物體或自由曲面組成的物體，例如：流線型物體、雕塑、品模具、人體器官等。這種技術(shù)在工程上正得到越來越廣泛的應(yīng)用。

　　一 、逆向設(shè)計工程建模過程

　　由實物產(chǎn)生CAD設(shè)計模型的過程稱為逆向工程的幾何建模，是逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)，也是逆向工程的研究重點，此過程分兩個階段：數(shù)據(jù)采集和CAD模型的建立。

　　1.數(shù)據(jù)采集

　　數(shù)據(jù)采集是由實物測量出數(shù)據(jù)點的過程。根據(jù)測量方式不同。數(shù)據(jù)采集方法分為接觸式和非接觸式測量兩大類。接觸式測方法是通過傳感器測與樣件的接觸而記錄樣件表面點的坐標(biāo)位置。非接觸式測量方法主要是基于光學(xué)、聲學(xué)。滋學(xué)等領(lǐng)城中的基本原理。將一定的物理模擬通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)換為樣件表面的坐標(biāo)點。使用的測量方法及測量設(shè)備不同。得到的測量數(shù)據(jù)組織方式也不同。

　　數(shù)據(jù)采集是逆向工程準(zhǔn)確建摸的基礎(chǔ)，采集的質(zhì)量受很多因素影響，主要有以下幾方面：測量方法本身的精度、儀器的校準(zhǔn)、測量范圍的限制、定位的準(zhǔn)確性、多視圖問題，數(shù)據(jù)的局部丟失、被測表面的光潔度、零件數(shù)據(jù)的統(tǒng)計性分布等。由于以上原因，測量數(shù)據(jù)需要進行預(yù)處理，包含多視圖拼合、嗓聲處理及數(shù)據(jù)精簡等多方面的工作：經(jīng)過頂處理的數(shù)據(jù)才可進行曲面擬合及CAD模型的建立。

　　2. CAD建模

　　由數(shù)據(jù)點產(chǎn)生CAD模型的方法有很多種。按照數(shù)據(jù)的組織方式、模型的產(chǎn)生過程不同，分以下幾類：

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　　該方法的原理是操作者首先通過對采集的數(shù)據(jù)點和擬合曲面的形狀特征的提取(即區(qū)域劃分及分類)，確定曲面局部擬合區(qū)域，然后對這些擬合曲面基于合適的拓撲關(guān)系進行求文運算。曲面產(chǎn)生后，在人工的干預(yù)下，通過幾何拓撲關(guān)系構(gòu)造出CAD棋型。目前使用的逆向工程系統(tǒng)區(qū)域劃分大多是交互或半交互方式。

　?、诨谇衅瑪?shù)據(jù)的建模方法。

　　該方法中，物體表面上的數(shù)據(jù)點是通過沿著物體長度方向上切分得到的輪廓線來表達，這些信息場?？梢杂糜嬎銠C化的x射線斷層照相法獲得。此類數(shù)據(jù)具有特殊的分布方式，數(shù)據(jù)分布于一組平行的截面線上。模型產(chǎn)生有兩種方法。第一種是連接相鄰截面線上的點，形成GO連續(xù)的CAD模型;另一類方法先擬合截面線，再用蒙皮的方式產(chǎn)生曲面模型，是交互系統(tǒng)中常用方法之一：

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　　該方法是采用可變形的換型來描述物體。開始定義一個具有形狀和拓撲關(guān)系的變形體，它既可以完全包容給定的描述體，也可以被描述體所包容。成本函數(shù)與兩個物體有聯(lián)系，并且在滿足一定的條件下，進行最小化，其結(jié)果是變形體既可以圍繞描述體由大到小收縮變形，也可以由小到大膨脹變形?；谖锢淼慕椒ㄊ谴祟惙椒ǖ奶乩河捎诳勺冃文Ｐ徒５膹?fù)雜性，模型往往具有針對性，所以，雖然有不少研究，但難以達到實用、通用。

　　④整體的自動建模方法：

　　以上三種方法對干由復(fù)雜雕塑面或大型的自由曲面產(chǎn)生的散亂數(shù)據(jù)難以達到精確或自動的擬合，近年來出現(xiàn)了一些針對散亂點的整體曲面重構(gòu)方法。此類方法用三角面片或光滑曲面片表示整個實體。

　　綜上所述，目前已有多種來自坐標(biāo)點的建模方法，每種方法都有它的特點和適用范圍。

　　從以上分類比較可看出：特征建模能夠表達產(chǎn)品的設(shè)計意圖，適合大多數(shù)的工程零件，單個特征進行擬合，擬合速度高，但由于其交互式的進行區(qū)域分割、面片相交，降低了建模的整體速度，特別是對于包含復(fù)雜曲面的物體建模，其交互操作往往費時又難以保證精度;曲面整體建模方法雖避免了區(qū)域劃分和相交處理，但由于用一種面表示整個實體，對于工程零件。沒有表達出產(chǎn)品設(shè)計意圖;可變形建模方法對于具有簡單輪廓或者凸面幾何形狀的物體非常適用，但有關(guān)工程上應(yīng)用的報道卻很少。該方法中的特征信息沒有包含逆向工程中制造所需要的面、邊等信息，因此不適用于逆向工程系統(tǒng)。

　　逆向工程幾何建模的理想系統(tǒng)是可適用任意數(shù)據(jù)分布、可對任意形狀物體建模的自動化通用建模系統(tǒng)。作者目前正開發(fā)的系統(tǒng)結(jié)合特征建模和曲面整體建模的優(yōu)點，進一步完善了面片分割的算法，對于分割產(chǎn)生的具有不規(guī)則邊界的自由曲面，利用樣條曲面細分技術(shù)進行整體擬合，提高了特征建模的自動化程度。

　　二、逆向工程系統(tǒng)及應(yīng)用情況

　　目前研究或應(yīng)用中的系統(tǒng)可分以下幾類：

　　1、針對具體應(yīng)用開發(fā)的系統(tǒng)開發(fā)了一種針對機械零件識別的逆向工程系統(tǒng)，此系統(tǒng)只能識別由平面組成的零件。開發(fā)了基于微機的逆向工程系統(tǒng)主要用于仿制空軍部門淘汰的零件。

　　2、專用曲面擬合軟件系統(tǒng)曲面擬合是逆向下程的關(guān)鍵過程，開發(fā)了擬合3D激光掃描數(shù)據(jù)的軟件包，數(shù)據(jù)點被交互的劃分區(qū)域，擬合曲面輸入通用CAD系統(tǒng)進行相交、延伸、過渡、建立完整的CAD模型。此系統(tǒng)只處理標(biāo)準(zhǔn)的二次曲面。

　　3、與商用CAD系統(tǒng)的結(jié)合有些系統(tǒng)直接把數(shù)字化系統(tǒng)與商用CAD系統(tǒng)結(jié)合，Kwok開發(fā)的系統(tǒng)將CMM與AutoCAD結(jié)合起來，每測一個點的坐標(biāo)，自動轉(zhuǎn)化為IGES格式，系統(tǒng)具有實時可視化功能。

　　4、測量與擬合的集成

　　以上系統(tǒng)中數(shù)字化與曲面擬合是兩個分離的過程，為了提高測量精度，用擬合結(jié)果指導(dǎo)測量，減少測量數(shù)據(jù)，出現(xiàn)了測量與擬合的集成系統(tǒng)。Liang-Chia提出的集成系統(tǒng)，首先由用戶交互地劃分測量邊界，每個面片的測量中實時進行B2樣條曲面擬合，用擬合結(jié)果進行下一個測量點的位置預(yù)測，用實測值與預(yù)測值的誤差控制測量精度和擬合精度。

　　5、與快速原形制造的結(jié)合

　　縮短產(chǎn)品制造的周期是逆向工程的目的之一，近年來出現(xiàn)了數(shù)字化系統(tǒng)直接用子制造的逆向工程與快速制造的集成系統(tǒng)，Jones C開發(fā)了由激光掃描結(jié)果產(chǎn)生螺旋線數(shù)控加工路徑的系統(tǒng)。

　　三、逆向工程的發(fā)展方向及關(guān)鍵技術(shù)

　　1、現(xiàn)有系統(tǒng)的不足之處

　　當(dāng)前使用的逆向工程系統(tǒng)存在以下不足之處：

　?、俅蠖鄶?shù)系統(tǒng)是針對具體的應(yīng)用而開發(fā)，數(shù)據(jù)處理往往針對特定的測量設(shè)備、測量對象，通用性差。

　　②曲面擬合系統(tǒng)大多是對于代數(shù)二次曲面，對自由曲面，特別是由大數(shù)據(jù)量散亂點擬合自由曲面，系統(tǒng)一般沒有此功能

　?、蹟?shù)據(jù)區(qū)域分割往往要交互操作，降低了CAD建模的速度，自動化程度低;

　?、芟到y(tǒng)集成化程度低，有些系統(tǒng)只側(cè)重與曲面的擬合，有些系統(tǒng)只側(cè)重于與特定制造技術(shù)的結(jié)合，系統(tǒng)只包含簡單幾何數(shù)據(jù)，不符合現(xiàn)代設(shè)計制造的并行思想。

　　2、發(fā)展方向及關(guān)鍵技術(shù)

　　幾何建模是逆向工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時也是影響逆向工程速度的瓶頸問題，因此，提高逆向工程幾何建模的自動化程度和通用性是目前逆向工程研究的一個重點方向。作者提出了一種逆向工程幾何建模自動化系統(tǒng)，具有體現(xiàn)設(shè)計意圖的特征建模的特點，數(shù)據(jù)點的組織方式不限，輸出的B-rep模型與現(xiàn)有商用CAD系統(tǒng)完全兼容。系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于特征的自動提取、組合自由曲面的光滑連接。

　　提高系統(tǒng)的集成性， 有些情況CAD 模型并不是必需的， 或者為了最快的制造產(chǎn)品， 需要數(shù)字化系統(tǒng)與CMM 的直接結(jié)合;另外，有些產(chǎn)品(例如注塑模、注塑件的設(shè)計)需要多次進行CA E 分析，由數(shù)據(jù)點直接產(chǎn)生CA E 模型，可極大地提高產(chǎn)品的設(shè)計、分析過程， 在上一節(jié)已有一些集成系統(tǒng)的應(yīng)用實例，大多是根據(jù)具體情況的部分集成，邢淵提出了完整的逆向工程集成系統(tǒng)框架，具有CAD、 CA E、CAM 多個數(shù)據(jù)接口， 采用了面向?qū)ο蟮募煞椒?。關(guān)鍵技術(shù)是通用、開放的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。

　　逆向工程是隨著科技發(fā)展、產(chǎn)品設(shè)計的需要而產(chǎn)生的一種新的產(chǎn)品設(shè)計制造過程， 是一種交叉的技術(shù)， 涉及測量、圖像、圖形、先進制造多個領(lǐng)域， 也將隨著各項支撐技術(shù)和理論的發(fā)展得到進一步完善。逆向工程在很多方面可能會被誤認為是對知識產(chǎn)權(quán)的嚴重侵害，但是在實際的應(yīng)用上，反而可以保護知識產(chǎn)權(quán)所有者。例如在集成電路領(lǐng)域，如果懷疑某公司侵犯知識產(chǎn)權(quán)，可以用逆向工程技術(shù)去尋找證據(jù)。