【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 中的應(yīng)用已經(jīng)很久了。早期的船舶工業(yè)中常用的船體放樣設(shè)計(jì)就是逆向工程的很好實(shí)例。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于測(cè)量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術(shù)成為逆向工程技術(shù)關(guān)注的主要對(duì)象。通過(guò)數(shù)字化測(cè)量設(shè)備（如坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光測(cè)量設(shè)備等）獲取的物體表面的空間數(shù)據(jù)，需要利用逆向工程技術(shù)建立產(chǎn)品的三維模型，進(jìn)而利用CAM系統(tǒng)完成產(chǎn)品的制造。因此，逆向工程技術(shù)可以認(rèn)為是將產(chǎn)品樣件轉(zhuǎn)化為三維模型的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)和幾何建模技術(shù)的總稱(chēng)。逆向工程的實(shí)施過(guò)程是多領(lǐng)域、多學(xué)科的協(xié)同過(guò)程。從圖1中我們可以看出，逆向工程的整個(gè)實(shí)施過(guò)程包括了從測(cè)量數(shù)據(jù)采集、處理到常規(guī)CAD/CAM系統(tǒng)，最終與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)融合的過(guò)程。工程的實(shí)施需要人員和技術(shù)的高度協(xié)同、融合。 逆向工程在CAD/CAM系統(tǒng)中的作用逆向工程技術(shù)不是一個(gè)孤立的技術(shù)，它和測(cè)量技術(shù)及現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于大多數(shù)工程技術(shù)人員對(duì)逆向工程技術(shù)不夠了解，將逆向工程技術(shù)與現(xiàn)有CAD/CAM技術(shù)等同起來(lái)，用現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)的技術(shù)水平要求逆向工程技術(shù)，往往造成人們對(duì)逆向工程技術(shù)的不信任和誤解。從理論角度分析，逆向工程技術(shù)能夠按照產(chǎn)品的測(cè)量數(shù)據(jù)重建出與現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)完全兼容的三維模型，這是逆向工程技術(shù)的最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。但是我們應(yīng)該看到，目前人們所掌握的技術(shù)，包括工程上的和純理論上的（如曲面建模理論），都還無(wú)法滿(mǎn)足這種要求。特別是針對(duì)目前比較流行的大規(guī)?！包c(diǎn)云”數(shù)據(jù)建模，更是遠(yuǎn)未達(dá)到可以直接在CAD系統(tǒng)中應(yīng)用的程度。因此我們認(rèn)為，目前逆向工程CAD技術(shù)與現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)的關(guān)系只能是一種相輔相成的關(guān)系。現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，無(wú)論從理論還是實(shí)際應(yīng)用上都已經(jīng)十分成熟，在這種狀況下，現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)不會(huì)也不可能為了滿(mǎn)足逆向工程建模的特殊要求變更系統(tǒng)底層。另一方面，逆向工程技術(shù)中用到的大量建模方法完全可以借鑒現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)，不需要另外搭建新平臺(tái)?；谶@種分析，我們認(rèn)為逆向工程技術(shù)在整個(gè)制造體系鏈中處于從屬、輔助建模的地位，逆向工程技術(shù)可以利用現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)，幫助其實(shí)現(xiàn)自身無(wú)法完成的工作。有了這種認(rèn)識(shí)，我們就可以明白為什么逆向工程技術(shù)（包括相應(yīng)的軟件）始終不是市場(chǎng)上的主流，而大多數(shù)CAD/CAM系統(tǒng)又均包含逆向工程模塊或第三方軟件包這樣一種情況。逆向工程已經(jīng)漸漸成為現(xiàn)今產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的主流工具，基于以下因素我們深信，逆向工程仍然是往后新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)所必備的一項(xiàng)工具。實(shí)物或手工模型測(cè)量數(shù)據(jù)采集曲線(xiàn)、曲面構(gòu)建STL處理RP處理草圖或2D工程圖CAD/CAM結(jié)構(gòu)及模具設(shè)計(jì)模具與成品模具與成品檢測(cè)成品點(diǎn)云數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)與CAD資料定位點(diǎn)云數(shù)據(jù)與CAD資料誤差對(duì)比輸出對(duì)比結(jié)果逆向工程圖1 逆向工程流程圖（1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式的差異以往設(shè)計(jì)師可能只做 2D 的平面設(shè)計(jì)，再經(jīng)由 CAD 軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D；但現(xiàn)今設(shè)計(jì)師往往會(huì)先以手工制作一3D 模型，如此需要逆向工程的工具將此手工模型轉(zhuǎn)換成 3D 曲面模型，以利后續(xù)的工作。（2）產(chǎn)品設(shè)計(jì)走向自由曲面造型目前消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的需求，不單單只考慮功能性，產(chǎn)品的外觀造型也成為消費(fèi)者考慮的重要因素。但由于設(shè)計(jì)師所創(chuàng)造出來(lái)的外觀造型，若利用傳統(tǒng)的制造方式有可能無(wú)法完全的將設(shè)計(jì)師的理念完整的表達(dá)出來(lái)，因此需要運(yùn)用逆向工程的工具來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)師的要求。（3）正向設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)取得不易基于商業(yè)機(jī)密，原廠一般不會(huì)把原始 CAD 數(shù)據(jù)提供給下游廠商，只會(huì)提供一個(gè)樣品給廠商，如此就需要經(jīng)由逆向工程的工具將原始 CAD 資料還原出來(lái)，因此一家廠商逆向工程的能力無(wú)形之中也是獲得訂單的一項(xiàng)利器。（4）檢驗(yàn)正向設(shè)計(jì)結(jié)果逆向工程的另一項(xiàng)重要的功能即是對(duì)成品的檢測(cè)，我們稱(chēng)之為計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)(Computer Aided Inspection)。一般質(zhì)量檢測(cè)只就成品的局部做檢測(cè)，透過(guò)逆向工程的工具可對(duì)成品做一全面性的質(zhì)量檢測(cè)，大大提升了質(zhì)量的穩(wěn)定度。當(dāng)然逆向工程并非萬(wàn)能的，由于現(xiàn)今測(cè)量設(shè)備與逆向工程專(zhuān)用軟件的發(fā)展限制，也使得逆向工程在其運(yùn)用上仍有一定的限制。要克服這些困難則須與傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程做一整合，截長(zhǎng)補(bǔ)短必能使產(chǎn)品獲得良好的質(zhì)量同時(shí)也能節(jié)省時(shí)間與成本，這才是我們所追求的。逆向工程所面臨的限制，主要是在于測(cè)量上與軟件功能上之限制。 “抄數(shù)”的概念“抄數(shù)”比較正規(guī)點(diǎn)的名稱(chēng)是“逆向工程”，即以產(chǎn)品的實(shí)物或模型為基礎(chǔ)，通過(guò)逆向設(shè)備采集模型的坐標(biāo)數(shù)據(jù)并輸入電腦，然后在電腦里重建精確的3D模型。通常數(shù)據(jù)采集的工作由逆向設(shè)備（如激光抄數(shù)機(jī)、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等）及設(shè)備自帶的軟件來(lái)完成，這部分工作的精度在很大程度上取決于設(shè)備的品質(zhì)，對(duì)操作的要求不是很高；逆向工程的難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)的后處理工作和建模工作，對(duì)設(shè)計(jì)師有比較高的要求。這部分常用的軟件有Surfacer、Imageware、Pro/ENGINEER等，南方比較普遍的做法是用Surfacer軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲得線(xiàn)框模型后再通過(guò)IGES等格式導(dǎo)入到Pro/E里建模，以充分利用Pro/E在曲面建模方面的優(yōu)勢(shì)，曲面建模的很多基本原理和方法仍完全適用。因此可以這樣認(rèn)為：逆向工程其實(shí)沒(méi)有什么特別的，曲面建模能力、正向設(shè)計(jì)能力強(qiáng)的人，做逆向建模只會(huì)覺(jué)得更加簡(jiǎn)單。因此對(duì)于希望從事逆向抄數(shù)行業(yè)的學(xué)員來(lái)講，學(xué)習(xí)曲面建模的基本原理和方法，訓(xùn)練正向建模的能力是不可缺少的。逆向工程技術(shù)在模具行業(yè)中的應(yīng)用從逆向工程的概念和技術(shù)特點(diǎn)可以看出，逆向工程的應(yīng)用領(lǐng)域主要是飛機(jī)、汽車(chē)、玩具和家電等模具相關(guān)行業(yè)。近年來(lái)隨著生物、材料技術(shù)的發(fā)展，逆向工程技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用在人工生物骨骼等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。但是其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域還是在模具行業(yè)。由于模具制造過(guò)程中經(jīng)常需要反復(fù)試沖和修改模具型面。若測(cè)量最終符合要求的模具并反求出其數(shù)字化模型，在重復(fù)制造該模具時(shí)就可運(yùn)用這一備用數(shù)字模型生成加工程序，可以大大提高模具生產(chǎn)效率，降低模具制造成本。逆向工程技術(shù)在我國(guó)，特別是以生產(chǎn)各種汽車(chē)、玩具配套件的地區(qū)、企業(yè)有著十分廣闊的應(yīng)用前景。這些地區(qū)、企業(yè)經(jīng)常需要根據(jù)客戶(hù)提供的樣件制造出模具或直接加工出產(chǎn)品。在這些企業(yè)，測(cè)量設(shè)備和CAD/CAM系統(tǒng)是必不可少的，但是由于逆向工程技術(shù)應(yīng)用不夠完善，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的精度以及生產(chǎn)周期。因此，逆向工程技術(shù)與CAD/CAM系統(tǒng)的結(jié)合對(duì)這些企業(yè)的應(yīng)用有重要意義。這一點(diǎn)我們?cè)诙嗄甑募夹g(shù)服務(wù)過(guò)程中深有體會(huì)。一方面各個(gè)模具企業(yè)非常歡迎在企業(yè)推廣逆向工程技術(shù)，但另一方面又苦于缺乏必要的指導(dǎo)和合適的軟件產(chǎn)品。這種情況嚴(yán)重制約了逆向工程技術(shù)在模具行業(yè)的推廣。與CAD/CAM系統(tǒng)在我國(guó)幾十年的應(yīng)用時(shí)間相比，逆向工程技術(shù)為工程技術(shù)人員所了解只有十幾年甚至幾年的時(shí)間。時(shí)間雖短，但逆向工程技術(shù)廣泛的應(yīng)用前景已經(jīng)為大多數(shù)工程技術(shù)人員所關(guān)注，這對(duì)提高我國(guó)模具制造行業(yè)的整體技術(shù)含量，進(jìn)而提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的推動(dòng)作用。逆向工程的實(shí)施需要逆向工程軟件的支撐。逆向工程軟件的主要作用是接收來(lái)自測(cè)量設(shè)備的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，通過(guò)一系列的編輯操作，得到品質(zhì)優(yōu)良的曲線(xiàn)或曲面模型，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式將這些曲線(xiàn)曲面數(shù)據(jù)輸送到現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)中，在這些系統(tǒng)中完成最終的產(chǎn)品造型。由于無(wú)法完全滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品造型的需求，因此逆向工程CAD軟件很難與現(xiàn)有主流CAD/CAM系統(tǒng)，如CATIA、UG、Pro/ENGINEER和SolidWorks等抗衡。很多逆向工程軟件成為這些CAD/CAM系統(tǒng)的第三方軟件。如UG采用ImageWare作為UG系列產(chǎn)品中完成逆向工程造型的軟件，Pro/ENGINEER采用ICEM Surf作為逆向工程模塊的支撐軟件。此外還有一些獨(dú)立的逆向工程軟件，如GeoMagic等，這些軟件一般具有多元化的功能。例如，GeoMagic除了處理幾何曲面造型以外，還可以處理以CT、MRI數(shù)據(jù)為代表的斷層界面數(shù)據(jù)造型，從而使軟件在醫(yī)療成像領(lǐng)域具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。另外一些逆向工程軟件作為整體系列軟件產(chǎn)品中的一部分，無(wú)論數(shù)據(jù)模型還是幾何引擎均與系列產(chǎn)品中的其他組件保持一致，這樣做的好處是逆向工程軟件產(chǎn)生的模型可以直接進(jìn)入CAD或CAM模塊中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)縫集成，這類(lèi)軟件的代表是DELCAM公司的CopyCAD。下面介紹幾個(gè)比較著名的逆向工程軟件。GeoMagic()美國(guó)RainDrop公司的逆向工程軟件，具有豐富的數(shù)據(jù)處理手段，可以根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)快速構(gòu)造出多張連續(xù)的曲面模型。軟件的應(yīng)用領(lǐng)域包括了從工業(yè)設(shè)計(jì)到醫(yī)療仿真等諸多方面，用戶(hù)包括通用汽車(chē)、BMW等大制造商。ImageWare()作為UG NX中提供的逆向工程造型軟件，ImageWare具有強(qiáng)大的測(cè)量數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測(cè)功能。可以處理幾萬(wàn)至幾百萬(wàn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的A級(jí)曲面(CLASS Ａ)具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。ImageWare的模型檢測(cè)功能可以方便、直觀地顯示所構(gòu)造的曲面模型與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)之間的誤差以及平面度、真圓度等幾何公差。CopyCAD()CopyCAD是英國(guó)DELCAM公司系列CAD產(chǎn)品中的一個(gè)，主要處理測(cè)量數(shù)據(jù)的曲面造型。DELCAM的產(chǎn)品涵蓋了從設(shè)計(jì)到制造、檢測(cè)的全過(guò)程。包括PowerSHAPE、PowerMILL、PowerINSPECT、ArtCAM、CopyCAD、PS－TEAM等諸多軟件產(chǎn)品。作為系列產(chǎn)品的一部分，CopyCAD與系列中的其他軟件可以很好地集成。RapidForm()RapidForm是由韓國(guó)INUS公司開(kāi)發(fā)的逆向工程軟件。主要用于處理測(cè)量、掃描數(shù)據(jù)的曲面建模以及基于CT數(shù)據(jù)的醫(yī)療圖像建模，還可以完成藝術(shù)品的測(cè)量建模以及高級(jí)圖形生成。RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、曲面檢測(cè)的工具，用戶(hù)可以方便的利用以前構(gòu)造的曲線(xiàn)網(wǎng)格經(jīng)過(guò)縮放處理后應(yīng)用到新的模型重構(gòu)過(guò)程中。以上介紹的是目前較常見(jiàn)的逆向工程軟件，在國(guó)內(nèi)能夠見(jiàn)到的商品化的逆向工程軟件均是國(guó)外的。國(guó)內(nèi)在逆向工程軟件方面雖然也有研究，但是主要集中在幾所高校。其中以清華大學(xué)、浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)在這方面的研究比較深入，這些研究成果也有一些以軟件產(chǎn)品形式出現(xiàn)，由于系統(tǒng)穩(wěn)定性、可操作性等方面的原因，這些研究性軟件還沒(méi)有完全具備與國(guó)外商業(yè)化軟件競(jìng)爭(zhēng)的條件。由國(guó)內(nèi)逆向工程領(lǐng)域?qū)I(yè)人士參與開(kāi)發(fā)的逆向工程軟件QuickForm 是國(guó)內(nèi)逆向工程軟件中較好的一個(gè)。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的幾何引擎，運(yùn)行穩(wěn)定性好，具有良好的可操作性。由于開(kāi)發(fā)人員具有豐富的逆向工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，因此系統(tǒng)中的功能設(shè)置、操作方式符合國(guó)內(nèi)用戶(hù)的習(xí)慣，這是國(guó)外軟件所無(wú)法具備的。QuickForm的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是價(jià)格優(yōu)勢(shì)，QuickForm的價(jià)格在同類(lèi)軟件中具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，使用國(guó)產(chǎn)軟件也是對(duì)國(guó)內(nèi)制造業(yè)和軟件行業(yè)的支持。 快速原型Rapid Prototyping面對(duì)越來(lái)越競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)業(yè)變動(dòng)，『速度』成為競(jìng)爭(zhēng)力的重要條件之一，快速將產(chǎn)品推出上市似乎是提高產(chǎn)品存活率的不二法門(mén)。尤其，目前 3C 產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品周期縮短，每隔一段時(shí)間就有新產(chǎn)品問(wèn)世。因此，如何縮短研發(fā)時(shí)間、加速制程，便成了各家公司的首要的課題?？焖僭停≧apid Prototyping）便是因應(yīng)這種情況而產(chǎn)生的制程，藉由快速原型很快的制作出能測(cè)試功能的樣品、甚至組裝精度的檢討、確認(rèn)。快速原型制程不只是速度快，更要有精度上的要求?？焖僭偷某尚驮?，與傳統(tǒng)的除料加工，以刀具切削素材除去不需要的材料方式，完全相反，而是將材料經(jīng)由堆堆棧的方式，來(lái)成型工件，所以幾乎沒(méi)有形狀的限制。目前成型的方式及材料有許多種，但大致上可依成型的方式來(lái)區(qū)分「液態(tài)法」「半液態(tài)法」「粉末法」及「固態(tài)法」等方式。而透過(guò)快速原型的應(yīng)用，又進(jìn)一步發(fā)展了快速模具(Rapid Tooling)。結(jié)合這兩種技術(shù)產(chǎn)品可快速且大批量的被制造，除了縮短設(shè)計(jì)確認(rèn)的時(shí)也縮短了制造的時(shí)間。下面對(duì)四種成型方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：(一) 液態(tài)法：此方法以液態(tài)光聚合樹(shù)脂為材料，以雷射光或紫外光照射使樹(shù)脂固化。商業(yè)化的產(chǎn)品以 3D System 的 Stereo Lithography Apparatus (SLA)為代表。SLA 為最早商業(yè)化并且是全世界占有率最大的系統(tǒng)，通常是以 HeCd 或 Ar+紫外線(xiàn)雷射照射來(lái)固化光硬化樹(shù)脂，其制程是在液面上成型。液態(tài)樹(shù)脂經(jīng)雷射照射成型原理，工作平臺(tái)通常是上下升降。(二) 半液態(tài)法：工作原理類(lèi)似擠牙膏的方式，加工方式是以加熱頭熔化線(xiàn)狀之熱塑性材料，再將熱塑性的固體細(xì)線(xiàn)材料由加熱頭熔化擠出而一層一層堆積成型直到整個(gè)工件完成。(三) 粉末法：此法是以噴頭將膠水噴灑涂布于粉末上，涂布的范圍是依照計(jì)算機(jī)運(yùn)算的輪廓。滾輪會(huì)將粉末均勻的堆棧一層，讓膠水在粉末與粉末之間充填而黏結(jié)成型，一層完成之后再黏結(jié)下一層直到工件完成。目前，也有以雷射直接燒結(jié)粉末，取代膠水噴頭的方式，但是需要較高功率的雷射，而粉末也需要特殊的材質(zhì)。(四) 固態(tài)法：此成型方式是以雷射或切割刀切割工件外圍輪廓，材質(zhì)通常為薄片材料，外輪廓切割好之后經(jīng)熱壓黏結(jié)于上一層已切割完成之薄片材料上，如此循環(huán)直到工件完成。因材質(zhì)本身是固態(tài)，所以成型后強(qiáng)度較佳。當(dāng)前，逆向工程的設(shè)備主要有：（1）三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)：獲得產(chǎn)品三維數(shù)字化數(shù)據(jù)（點(diǎn)云/特征），一般采用非接觸式的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。（2）曲面/實(shí)體反求軟件：對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)曲面重構(gòu)，甚至實(shí)體重構(gòu)；例如：四大逆向工程軟件Imageware、Geomagic、CopyCAD、RapidForm等。（3）CAD/CAE/CAM軟件；一般用Pro/Engineer、UG、Catia等軟件。（4）數(shù)控機(jī)床；一般采用數(shù)控銑床、數(shù)控車(chē)床、加工中心、數(shù)控磨床等數(shù)控設(shè)備。當(dāng)前，逆向工程的技術(shù)難點(diǎn)主要有：（1）獲得產(chǎn)品的數(shù)字化點(diǎn)云（測(cè)量掃描系統(tǒng)）；（2）將點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建成曲面及邊界，甚至是實(shí)體（逆向工程軟件）；（3）將曲面或?qū)嶓w與CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的集成；（通用CAD/CAM/CAE軟件）（4）為快速準(zhǔn)確地完成以上工作，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的專(zhuān)業(yè)工程師（人員）；綜上所述，逆向工程應(yīng)用的發(fā)展前景包括以下四個(gè)方面：（1）除用于測(cè)量、測(cè)繪之外，還用于變形、振動(dòng)研究。（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)作各種后處理分析后，用于設(shè)備的老化、維修、變形、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、翻新、更新、加工、仿研、仿制、結(jié)構(gòu)分析、