1、反求工程概述1基本概念反 求 工 程 (Reverse Engineering， 简 称 RE)又 称 逆 向 工 程 技 术 ， 这 一 术语 起 源 于 20 世 纪 60 年 代 ,但 对 它 从 工 程 的 广 泛 性 去 研 究 ,从 反 求 的 科 学 性 进行 深 化 还 是 从 20 世 纪 90 年 代 初 刚 刚 开 始 。 反 求 工 程 类 似 于 反 向 推 理 ,属 于 逆向 思 维 体 系 。反求工程是 以 设 计 方 法 学 为 指 导 ， 以 现 代 设 计 理 论 、 方 法 、 技 术 为 基 础 ，运 用 各 种 专 业 人 员 的 工 程 设 计 经
2、验 、 知 识 和 创 新 思 维 ， 对 已 有 新 产 品 进 行 解 剖 、深 化 和 再 创 造 ， 是 已 有 设 计 的 设 计 。反 求 工 程 技 术 是 测 量 技 术 、 数 据 处 理 技 术 、 图 形 处 理 技 术 和 加 工 技 术 相结 合 的 一 门 结 合 性 技 术 。 随 着 计 算 机 技 术 的 飞 速 发 展 和 上 述 单 元 技 术 的 逐 渐成 熟 ,近 年 来 在 新 产 品 设 计 开 发 中 愈 来 愈 多 的 被 得 到 应 用 ,因 为 在 产 品 开 发 过程 中 需 要 以 实 物 (样 件 )作 为 设 计 依 据 参 考 模
3、 型 或 作 为 最 终 验 证 依 据 时 尤 其 需要 应 用 该 项 技 术 ,所 以 在 汽 车 、 摩 托 车 的 外 形 覆 盖 件 和 内 装 饰 件 的 设 计 ,家 电产 品 外 形 设 计 ,艺 术 品 复 制 中 对 反 求 工 程 技 术 的 应 用 需 求 尤 为 迫 切 。2 研 究 内 容反 求 工 程 技 术 的 研 究 对 象 多 种 多 样 ,所 包 含 的 内 容 也 比 较 多 ,主 要 可 以 分为 以 下 三 大 类 : (1)实 物 类 ： 主 要 是 指 先 进 产 品 设 备 的 实 物 本 身 ；(2)软 件 类 ： 包 括 先 进 产 品
4、设 备 的 图 样 ,程 序 ,技 术 文 件 等 ；(3)影 像 类 ： 包 括 先 进 产 品 设 备 的 图 片 ,照 片 或 以 影 像 形 式 出 现 的 资 料 。反 求 工 程 包 含 对 产 品 的 研 究 与 发 展 ,生 产 制 造 过 程 ,管 理 和 市 场 组 成 的 完整 系 统 的 分 析 和 研 究 。 主 要 包 括 以 下 几 个 方 面 :(1)探 索 原 产 品 设 计 的 指 导 思 想 ， 掌 握 原 产 品 设 计 的 指 导 思 想 ， 分 析 了 解整 个 产 品 的 设 计 过 程 。 如 微 型 汽 车 的 消 费 群 体 是 普 通 百
5、姓 ,其 设 计 的 指 导 思 想是 在 满 足 一 般 功 能 的 前 提 下 ,尽 可 能 降 低 成 本 ,所 以 结 构 上 通 常 是 较 简 化 的 。(2)探 索 原 产 品 原 理 方 案 的 设 计 ， 了 解 功 能 目 标 的 确 定 原 则 ,对 产 品 进 行改 进 设 计 。 产 品 的 功 能 概 括 而 论 是 能 量 , 物 料 信 号 的 转 换 。 例 如 ,一 般 动 力 机构 的 功 能 通 常 是 能 量 转 换 ,工 作 机 通 常 是 物 料 转 换 ,仪 器 仪 表 通 常 是 信 号 转换 。 不 同 的 功 能 目 标 ,可 引 出 不
6、同 的 原 理 方 案 。 设 计 一 个 夹 紧 装 置 时 ,把 功 能目 标 定 在 机 械 手 段 上 ,则 可 能 设 计 出 斜 楔 夹 紧 ,螺 旋 夹 紧 ,偏 心 夹 紧 ,定 心 夹紧 ,联 动 夹 紧 等 原 理 方 案 ;如 把 功 能 目 标 确 定 扩 大 ,则 可 设 计 出 液 动 ,气 动 ,电 磁夹 紧 等 原 理 方 案 。(3)研 究 产 品 的 结 构 设 计 ， 产 品 中 零 部 件 的 具 体 结 构 是 实 现 产 品 功 能 目 标是 保 证 ,对 产 品 的 性 能 ,工 作 能 力 ,经 济 性 ,寿 命 和 可 靠 性 有 着 密 切
7、关 系 。(4)确 定 产 品 的 零 部 件 形 体 尺 寸 ， 分 解 产 品 实 物 ,由 外 至 内 ,由 部 件 至 零件 ,通 过 测 绘 与 计 算 确 定 零 部 件 形 体 尺 寸 ,并 用 图 样 及 技 术 文 件 方 式 表 达 出来 。 总 结 箱 体 类 ,轴 类 ,盘 套 类 ,齿 轮 ,弹 簧 ,曲 线 曲 面 及 其 它 特 殊 形 体 的 测 量 方法 ,并 合 理 标 注 尺 寸 。(5)确 定 产 品 中 零 件 的 精 度 ， 精 度 是 衡 量 反 求 对 象 性 能 的 重 要 指 标 ,是 评价 反 求 设 计 产 品 质 量 的 主 要 技 术
8、 参 数 之 一 。 科 学 合 理 地 进 行 精 度 分 配 ,对 提 高产 品 的 装 配 精 度 和 力 学 性 能 至 关 重 要 。(6)确 定 产 品 中 零 件 的 材 料 ， 通 过 零 件 的 外 观 比 较 ,重 量 测 量 ,力 学 性 能 测定 ,化 学 分 析 ,光 谱 分 析 ,金 相 分 析 等 试 验 方 法 ,对 材 料 的 物 理 性 能 ,化 学 成 分 ,热 处 理 等 情 况 进 行 全 面 鉴 定 ,在 此 基 础 上 ,遵 循 立 足 国 内 的 方 针 ,考 虑 资 源 及 成本 ,选 择 合 用 的 国 产 材 料 ,或 参 照 同 类 产
9、品 的 材 料 牌 号 ,选 择 满 足 力 学 性 能 及 化学 性 能 的 国 有 材 料 代 用 。(7)确 定 产 品 的 工 作 性 能 ， 针 对 产 品 的 工 作 特 点 机 器 主 要 性 能 进 行 试 验 测定 ,反 计 算 和 深 入 地 分 析 ,了 解 产 品 的 设 计 准 则 和 设 计 规 范 ,并 提 出 改 进 措施 。(8)确 定 产 品 的 造 型 ， 对 产 品 的 外 形 构 型 ,色 彩 设 计 等 进 行 分 析 ,从 美 学 原则 ,顾 客 需 求 心 里 ,商 品 价 值 等 角 度 进 行 构 型 设 计 和 色 彩 设 计 。(9)确
10、定 产 品 的 维 护 与 管 理 ， 分 析 产 品 的 维 护 和 管 理 方 式 ,了 解 重 要 零 部件 及 易 损 零 部 件 ,有 助 于 维 修 及 设 计 的 改 进 和 创 新 。3 反 求 工 程 的 四 个 阶 段反 求 工 程 （ 逆 向 工 程 ） 一 般 可 分 为 四 个 阶 段 ： 第 一 步 : 零 件 原 形 的 数 字 化 通 常 采 用 三 坐 标 测 量 机 (CMM)或 激 光 扫 描 仪 等 测 量 装 置 来 获 取 零 件 原 形 表面 点 的 三 维 坐 标 值 。 第 二 步 : 从 测 量 数 据 中 提 取 零 件 原 形 的 几 何
11、 特 征 按 测 量 数 据 的 几 何 属 性 对 其 进 行 分 割 ， 采 用 几 何 特 征 匹 配 与 识 别 的 方 法 来获 取 零 件 原 形 所 具 有 的 设 计 与 加 工 特 征 。 第 三 步 : 零 件 原 形 CAD模 型 的 重 建 将 分 割 后 的 三 维 数 据 在 CAD系 统 中 分 别 做 表 面 模 型 的 拟 合 ， 并 通 过 各 表 面片 的 求 交 与 拼 接 获 取 零 件 原 形 表 面 的 CAD模 型 。 第 四 步 : 重 建 CAD模 型 的 检 验 与 修 正 采 用 根 据 获 得 的 CAD模 型 ， 重 新 测 量 和
12、加 工 出 样 品 的 方 法 来 检 验 重 建 的CAD模 型 是 否 满 足 精 度 或 其 他 试 验 性 能 指 标 的 要 求 ， 对 不 满 足 要 求 者 重 复 以 上过 程 ， 直 至 达 到 零 件 的 逆 向 工 程 设 计 要 求 。反求工程一般都遵循点线面体的原则。图 3.1 反求工程（RE）流程图4反求工程的应用与集成4.1 反 求 工 程 的 应 用反 求 工 程 （ 逆 向 工 程 ） 是 近 年 来 发 展 起 来 的 ， 消 化 、 吸 收 和 提 高 先 进 技术 的 一 系 列 分 析 方 法 和 应 用 技 术 的 组 合 ， 其 主 要 目 的 是
13、 为 了 改 善 技 术 水 平 ， 提高 生 产 率 ， 增 强 经 济 竞 争 力 。反 求 工 程 （ 逆 向 工 程 ） 的 应 用 领 域 大 致 可 分 为 以 下 几 种 情 况 ： (1)在 没 有 设 计 图 纸 或 者 设 计 图 纸 不 完 整 以 及 没 有 CAD模 型 的 情 况 下 ， 在对 零 件 原 形 进 行 测 量 的 基 础 上 形 成 零 件 的 设 计 图 纸 或 CAD模 型 ， 并 以 此 为 依 据利 用 快 速 成 型 技 术 复 制 出 一 个 相 同 的 零 件 原 型 。 (2)当 要 设 计 需 要 通 过 实 验 测 试 才 能 定
14、 型 的 工 件 模 型 时 ， 通 常 采 用 反 求 工程 的 方 法 。 比 如 航 天 航 空 领 域 ， 为 了 满 足 产 品 对 空 气 动 力 学 等 要 求 ， 首 先 要 求在 初 始 设 计 模 型 的 基 础 上 经 过 各 种 性 能 测 试 （ 如 风 洞 实 验 等 ） 建 立 符 合 要 求 的产 品 模 型 ， 这 类 零 件 一 般 具 有 复 杂 的 自 由 曲 面 外 型 ， 最 终 的 实 验 模 型 将 成 为 设计 这 类 零 件 及 反 求 其 模 具 的 依 据 。 (3)在 美 学 设 计 特 别 重 要 的 领 域 ， 例 如 汽 车 外
15、型 设 计 广 泛 采 用 真 实 比 例 的木 制 或 泥 塑 模 型 来 评 估 设 计 的 美 学 效 果 ， 而 不 采 用 在 计 算 机 屏 幕 上 缩 小 比 例 的物 体 投 视 图 的 方 法 ， 此 时 需 用 反 求 工 程 的 设 计 方 法 。 (4)修 复 破 损 的 艺 术 品 或 缺 乏 供 应 的 损 坏 零 件 等 ， 此 时 不 需 要 对 整 个 零 件原 型 进 行 复 制 ， 而 是 借 助 反 求 工 程 技 术 抽 取 零 件 原 形 的 设 计 思 想 ， 指 导 新 的 设计 。 这 是 由 实 物 逆 向 推 理 出 设 计 思 想 的 一
16、 种 渐 近 过 程 。4.2 反求工程与快速成型的集成模型研究图 4.1 RE与 RP的数据交换接口模式在 RE于 RP集成的数据交换接口模式有四种。采用模式 ，根据已有的产 1品模型，利用三维坐标测量仪测量产品模型点云，采用 CATIA等软件重新构建零件三维 CAD模型横、纵截面的产品轮廓线型，反向推出产品的设计数据，以及对现有产品进行改进和再创造的更新设计。采用模式 ，RE 借助于 CAD系统 2来转化成 STL文件(Stereo LithographyFile)，通过反求得到的矢量化层片轮廓信息自接驱动 RP设备逐层叠加而成三维实体；利用反求技术来重构出实体模型 。例如 RP在塑料注件
17、中的应用，如图 4.2所示。通过对实物反求得到滴头模具 CAD模型，然后通过 RP技术实现原型叠层制造。图 4.2 滴头快速开发案例然而通过这种模式有不足之处，需要将通常意义下的 CAD模型转化并输出STL文件，并且零件越复杂、精度越高的 CAD模型把商用 CAD软件转化为 STL文件时，经常出现数据截断误差导致面片间的间隙、法矢错误、错误的面相交和面片的退化等错误和缺陷，从而需要大量的时间和精力确认或修正这些错误和缺陷。经过比较，模式 和模式 都绕开了反求工程中技术“瓶颈”三维散 3 4乱数据的复杂曲面重构和CAD造型，输出的STL文件很少出现错误。所以这两种模式是RE与RP直接集成理想的数
18、据交换。3D扫描仪就是运用模式 ，通过激光 4测距原理(包括脉冲激光和相位激光)， 瞬时测得空间三维坐标值的测量仪器，利用激光扫捕技术获取的空间点云数据，可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型，既省时又省力，这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的。美国Cyberware公司以影视特技制作著称，一套完整扫描装置由测量单元、扫描平台、主机和相应的软件组成。还生产出可用于人头部扫描的三维扫描仪，并为迪斯尼等多家动画、特技公司所采用，在许多影片的计算机维特技制作中扮演了重要角色。运用这项技术，把虚拟的人物动作等表现出来。Cyberware可以骄傲地列出很长一串影片名作为其产品成功应用的例子
19、，如终结者、侏罗纪公园、蝙蝠侠、机械战警，等等。图4.3 Cyberware的代表产品3030三维扫描仪国内很多规模较大的研究机构也纷纷采用了三维扫描仪进行反求工程，如上海交通大学模具CAD国家工程研究中心，它们采用德国GOM公司的流动式光学扫描设备、美国CYBERWARE公司的彩色扫描仪(f3030RGBPS)、英RENISHAW公司的高速扫描数字化系统CYCLONE及专用软件TRACECUT等。4.3 RE/RP集成的应用(1)以汽车后桥上壳为实例，分析了反求工程中实物的测量方案，并利用三坐标测量机对实物进行测量，对测试数据进行处理。在UG软件中进行实物的建模。图4.4 后桥上壳外部模型
20、图4.5后桥上壳内部模型 图4.6 后桥上壳实体模型（2）以某汽轮机叶片为基础，利用接触式三坐标测量机获取零件三维数据，即通过装夹零件、标定测头测杆、工件坐标系的建立、测量打点、数据输出等步骤得到零件的几何三维数据。最后通过实例的操作，得到叶片的点云数据，并分析在手动打点过程中产生测量误差的原因及其改善措施。分析表明，确定合理的测量路径、建立合适的零件坐标系、确定合适的测点个数、均匀的测力及其操作经验，可以提高点云的精度。(3)利用反求工程技术对打结器的架体进行三维重构设计，并利用三坐标测量仪对重构的打结器架体进行修正。打结架体作为打结器的核心部件，外形复杂，其上的加工孔位也较难确定，完全的根
21、据正向设计比较困难。采用反求工程对打结器零部件实物进行扫描测量,根据测量数据通过三维几何建模方法，重构打结器零部件的三维CAD模型，从而实现产品的数字化设计。4.4 Imageware在逆向工程中的应用Imageware逆向工程软件的主要功能有：Surfacer逆向工程工具和class1曲面生成工具；对verdict和CAD测量数据的对比评估；Build it实时测量，验证产品的制造性；RPM生成快速成型数据；View提供三维报告(功能与Verdict相似)。分为零件三维数据的获取及处理和NURBS曲面重构。运用Imageware逆向工程软件成功地对汽车车身造型进行设计开发，有效改进了车身设计
22、的水平，大大缩短了设计周期。图4.4 输入Imageware系统图4.5 车身的重构曲面5反求工程的应 用 展 望反 求 工 程 是 一 门 开 拓 性 、 综 合 性 和 实 用 性 很 强 的 技 术 。 有 其 独 特 的 共 性 技术 和 内 容 ， 还 是 一 门 新 兴 的 交 叉 学 科 分 支 ， 正 如 高 新 技 术 层 出 不 穷 ， 解 密 技术 亦 要 相 应 发 展 。 反 求 工 程 包 含 的 内 容 和 知 识 面 很 广 ， 不 同 专 业 产 品 又 有 不 同领 域 。 反 求 过 程 中 ， 如 何 用 现 代 设 计 理 论 、 方 法 和 技 术
23、去 寻 求 符 合 国 情 的 适 用技 术 ， 是 提 高 国 产 化 零 件 质 量 的 核 心 问 题 。同 时 开 展 反 求 工 程 的 研 究 和 应 用 ， 有 助 于 人 才 培 养 。 人 们 需 要 通 过 学习 、 创 造 、 发 明 去 发 现 新 事 物 ， 而 反 求 本 身 既 是 学 习 又 可 尽 快 掌 握 高 新 技 术 ，缩 小 差 距 。 发 达 国 家 重 视 反 求 ， 正 在 发 展 中 国 家 更 要 重 视 和 掌 握 这 种 艺 术 和 技术 。 要 完 成 一 项 反 求 任 务 ， 进 而 再 创 造 ， 需 学 习 和 掌 握 众 多
24、 知 识 和 经 验 ， 促 使人 们 不 断 去 探 讨 “为 什 么 这 样 做 ”， 进 而 深 化 提 高 到 “应 该 怎 样 做 ”。参考文献：1 曹军Imageware在逆向工程中的应用J工具技术，2010，10(44)：83842 张秀萍反求工程关键技术及应用J机械工程自动化，2010，4(161)：1951963 王春升 程仲文 胡彦军反求工程技术在复杂曲面重构系统中的应用J制造技术与机床，2010，9(19)：66684 李东泽，土敏杰，刘莹反求工程交互建模应用技术研究J中国机械工程，2003，14(19)：167716815 张文建，彭一男，张畸三坐标测量机在反求工程中的研究J机械，2010，8(37)：18206 陈红毅，李东如三坐标测量机在反求工程中的应用J装备制造技术，2010，10(37)：1681697 成丽霞反求与快速成型技术在模具制造中的应用J石河子科技，2010，5(193)：3537
