逆向工程關(guān)鍵技術(shù)研究

鄭州市熱力總公司王

逆向工程關(guān)鍵技術(shù)研究

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逆向工程（RE，ReverseEngineering）主要是針對(duì)已有的產(chǎn)品原型，消化吸收和挖掘其中蘊(yùn)含的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造等方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并以此為開(kāi)端進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)、數(shù)控和激光測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展，逆向工程已不再是對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行簡(jiǎn)單的“復(fù)制”，其內(nèi)涵與外延都已發(fā)生了深刻的變化，目前已成為航空、汽車(chē)、船舶、家電、模具制造等制造業(yè)領(lǐng)域中最重要的產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)手段之一。

一、逆向工程技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)逆向工程的研究主要集中在產(chǎn)品幾何形狀，以及與“功能”要素相關(guān)的結(jié)構(gòu)反求方面，即重建產(chǎn)品原型的數(shù)字化模型。因此，從產(chǎn)品幾何模型重建的角度，逆向工程可狹義地定義為將產(chǎn)品原型轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型的有關(guān)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)字化測(cè)量和幾何模型重建技術(shù)的總稱(chēng)。

在逆向工程中，計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)技術(shù)主要在計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)環(huán)境下，用來(lái)進(jìn)行曲面的表示、逼近、分析與綜合。在這一領(lǐng)域目前已形成了以非均勻有理B樣條參數(shù)曲面和隱式代數(shù)曲面為主體，以插值、擬合、逼近為手段的復(fù)雜曲面幾何模型表示和處理的理論體系。

由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中大量地使用了直線、平面、二次曲線和二次曲面等幾何要素，在逆向工程中，常常需要根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)提取這些幾何要素的特征參數(shù)，因此解析幾何方法也在逆向工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

在對(duì)逆向工程中所獲得的幾何模型的分析、處理的過(guò)程中，涉及大量的曲線、曲面法矢的計(jì)算問(wèn)題，而這些問(wèn)題的解決必須依靠微分幾何方法和理論?；跍y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)字化重建的過(guò)程本身就是一個(gè)幾何模型參數(shù)尋優(yōu)問(wèn)題，其中曲線、曲面擬合是優(yōu)化技術(shù)在逆向工程中的典型應(yīng)用。而小波技術(shù)則主要被用來(lái)進(jìn)行曲面的光順、測(cè)量點(diǎn)噪聲的去除以及數(shù)據(jù)的壓縮等方面。

在樣本數(shù)據(jù)的整理、分析和提取方面，概率統(tǒng)計(jì)方法獲得了成功的應(yīng)用，它不但可以被用來(lái)去除測(cè)量數(shù)據(jù)中的噪聲，而且還可以被用來(lái)發(fā)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的設(shè)計(jì)規(guī)律。

在產(chǎn)品造型幾何反求方面，研究工作面臨的首要問(wèn)題是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理問(wèn)題。點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有量大和離散兩個(gè)主要特征，點(diǎn)云的預(yù)處理要達(dá)到使點(diǎn)云數(shù)據(jù)具備完整的拓?fù)潢P(guān)系和準(zhǔn)確的法線、曲率等信息。目前，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的主要處理方法有點(diǎn)云分塊、任意切片以及邊界數(shù)據(jù)直接抽取等。

在實(shí)際的逆向工程的實(shí)施過(guò)程中，除了將產(chǎn)品表面擬合成參數(shù)曲面外，更多的場(chǎng)合是要進(jìn)行截面曲線的反求、二次曲線和曲面的分割與重構(gòu)、過(guò)渡曲線和曲面特征的提取與分析，以及拉伸、旋轉(zhuǎn)和對(duì)稱(chēng)面特征的處理等方面的工作。在這些方面，目前國(guó)內(nèi)外的研究成果很多，多數(shù)已實(shí)用化。

二、逆向工程技術(shù)發(fā)展需要解決的幾個(gè)問(wèn)題

1.原型的色彩和材質(zhì)信息的處理與識(shí)別。在產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)反求方面，國(guó)內(nèi)外都做了大量卓有成效的研究工作，取得了大量實(shí)用性很強(qiáng)的研究成果。但對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，色彩的運(yùn)用，材質(zhì)的選取，以及設(shè)計(jì)意圖、造型規(guī)律的識(shí)別則幫助甚少。為此必須從工業(yè)設(shè)計(jì)的核心需求出發(fā)，使用最新的數(shù)碼攝像測(cè)量技術(shù)解決工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中色彩和材質(zhì)表現(xiàn)等方面信息的反求問(wèn)題，使工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的逆向工程技術(shù)形成一個(gè)完整的技術(shù)系統(tǒng)，更好地服務(wù)企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用。

2.產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖、造型規(guī)律的分析與提取。與色彩和材質(zhì)相比，工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)意圖與造型規(guī)律則是在更高層面反映了設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)理念。設(shè)計(jì)意圖與造型規(guī)律主要表現(xiàn)為全局性和整體性，這就要求在對(duì)它們的分析過(guò)程中，所采用的方法要能從原型結(jié)構(gòu)比例，表面曲率分布以及與各類(lèi)模板對(duì)比等宏觀、微觀多個(gè)角度出發(fā)來(lái)進(jìn)行分析。

3.逆向工程中測(cè)量方法選用與測(cè)量方案規(guī)劃。隨著工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)逆向工程軟硬件需求的不斷增大，各類(lèi)逆向工程設(shè)備大量出現(xiàn)，這些設(shè)備各具特色，如何在實(shí)際應(yīng)用中合理地使用它們也是實(shí)際工程中一個(gè)難點(diǎn)，除了測(cè)量精度之外，如何提高測(cè)量的效率，如何軟硬結(jié)合進(jìn)一步提高逆向工程的質(zhì)量等也是應(yīng)該考慮的問(wèn)題。

4.點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和邊界識(shí)別技術(shù)。在原型的幾何反求過(guò)程中，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理是必不可少的。其中規(guī)則化與后續(xù)CAD模型建立的關(guān)系較大，因?yàn)樵谕ㄓ玫腃AD系統(tǒng)中，曲面模型一般采用參數(shù)曲面來(lái)表示，而構(gòu)建參數(shù)曲面一般要求原始數(shù)據(jù)呈拓?fù)渚匦巍｜c(diǎn)云的邊界是指能夠表達(dá)原型樣件原始邊界的測(cè)量點(diǎn)，或者由這些測(cè)量點(diǎn)連成的曲線。但由于目前逆向工程中所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量一般很大，因此研究高效、通用的點(diǎn)云處理方法在實(shí)際工程中是十分必要的。

5.產(chǎn)品原型制作中特殊材料的數(shù)控加工與粘接。目前，在工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，各種模型主要通過(guò)手工或半手工制作，不但對(duì)技師或工人的技術(shù)水平要求高，而且制作精度差，效率低。比如，在車(chē)輛設(shè)計(jì)中普遍采用油泥模型，在模型制作的過(guò)程中，一般由設(shè)計(jì)師用刀片對(duì)模型進(jìn)行制作與修正。由于目前我國(guó)缺乏能勝任此項(xiàng)工作的高級(jí)人才，致使國(guó)內(nèi)企業(yè)的模型制作水平較低，無(wú)法滿足企業(yè)的需要，這種狀況已嚴(yán)重阻礙了相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和工作效率的提高。在這種狀況下，根據(jù)我國(guó)的實(shí)際，探索使用數(shù)控機(jī)床來(lái)完成油泥模型及其他造型材料的加工，是十分必要的，也是可行的。