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基于逆向工程和SLA的“小猪”设计造型及加工摘要科技发展和市场竞争对产品设计提出了更高的要求,即产品多样化、外形美观、更新换代周期缩短；同时,也促进了产品设计、制造过程的发展。近年来,许多产品的制造要求基于现有的原型或实物,由此产生了反向工程(ReverseEngineering,RE)的概念。本文主要是介绍反求工程的概念及其起源，并对其关键技术进行详细的介绍，以及论述反求工程的用途、应用现状和前景，并对快速成型做简单介绍，并记述了在本次课程中的一次课程实验。关键词：反向工程；RE；快速成型；SLA；应用情况；发展前景；实验；1、反求工程的基本概念科技发展和市场竞争对产品设计提出了更高的要求,即产品多样化、外形美观、更新换代周期缩短；同时,也促进了产品设计、制造过程的发展。近年来,许多产品的制造要求基于现有的原型或实物,由此产生了反向工程(ReverseEngineering,RE)的概念。反向工程是指根据实物模型测得的数据,构造CAD模型,继而进行分析制造。在传统的产品设计制造过程中,新产品设计起源于由功能需求产生概念设计,再进行详细设计,最终产生完整CAD模型,继而进行分析、制造。与反向工程对应,称通常的产品设计、制造过程为正向工程。反向工程是缩短产品开发周期的一种有效途径,特别是形状复杂的物体或自由曲面组成的物体,例如:流线型物体、人体器官、雕塑品、模具等。反求工程(ReverseEngineering)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.它以社会方法学为指导,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验,知识和创新思维,对已有的产品进行解剖,分析,重构和再创造,在工程设计领域,它具有独特的内涵,可以说它是对设计的设计。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是逐渐成熟,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。反求工程是将数据采集设备获取的实物样件表面或表面及内腔数据,输入专门的数据处理软件或带有数据处理能力的三维CAD软件进行处理和三维重构,在计算机上复现实物样件的几何形状,并在此基础上进行原样复制,修改或重设计,该方法主要用于对难以精确表达的曲面形状或未知设计方法的构件形状进行三维重构和再设计。反求工程是综合性很强的术语，它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，这就是反求工程的含义，特别强调再创造是反求的灵魂。2、反求工程的起源二次大战中，几十个国家卷入战祸，饱受战争创伤。特别是战败国，在二战结束后，急于恢复和振兴经济。日本在60年代初提出科技立国方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。为要国产化的改进，迫切需要对别国产品进行消化、吸收、改进和挖潜。这就是反求设计(InverseDesign)或反求工程(InverseEngineering)，这两者是同一内涵，仅是不同国家的不同提法。发展到现在，己成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段或重要对策，反求工程的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。实际上，任何产品问世，包括创新、改进和仿制的，都蕴含着对已有科学、技术的继承和应用借鉴。因而反求思维在工程中的应用已源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则是60年代初出现的。市场经济竞争机制已渗透到各个领域，如何发展科技和经济，世界各国都在研究对策。从共性特征可概括为4个方面对策：(1)大力提倡创造性。包括新的思维方式、新原理、新理论、新方案、新结构、新技术、新材料、新工艺、新仪器等等。对于发展一个国家的国民经济来说，创造性是永恒主题。(2)研究和应用新的设计理论、方法去改造和完善传统的方法，使能既快又好地设计出新型产品。(3)把计算机应用广泛地引入产品设计、开发的全过程(预测、决策、管理、设计制造、试验、销售服务等)中，以期达到这些过程的一体化、智能化和自动化。(4)研究和应用反求工程，使能在高的起点去创造新产品。3、反求工程的关键技术反向工程与正向工程的主要区别在于CAD模型的产生过程,由实物产生CAD设计模型的过程称为反向工程几何建模,是反向工程最基本最关键的功能,也是反向工程的研究重点,此过程分为两个阶段:数据获取（即数据点的测量技术）；CAD模型的建立（即数据处理3D模型的重构技术）。3.1数据点的测量数据获取是由实物测量出数据点的过程,可以有多种方式进行数据测量,图1对可用于反向工程数据测量的方法进行了详细分类。图1.反求工程数据获取方法分类破坏性测量主要是自动断层扫描法,该技术采用逐层去除材料与逐层扫描相结合的方法,其特点是可以测量内轮廓数据,而且测量精度高,片层最小可达0.01mm。非破坏性测量分为接触式测量和非接触式测量,目前最常用的接触式测量系统是三坐标测量仪(CMM),其优点是不受物体表面颜色及光照的限制;对物体边界也能产生准确的测量结果。缺点是由于测头的限制,可能丢失某些测头不可到达的细节数据；不可测量某些测头不可触及的软材料；另外,测量速度受到机构运动的限制。非接触式测量分为主动式测量和被动式测量,主动式系统有专门仪器产生测量光源或声源,被动式测量则没有。最常用主动式测量是激光三角形测量法,基本原理是利用激光源投射到被测表面,反射光在图象传感器上成像,按照预设计的三角形光路原理得到被测点的位置坐标。光源形状可以是光束、光带、多条皮带,依次具有更高的速度。与CMM相比,其特点是可以实现高速测量。其缺点是对于表面粗糙度、漫反射率敏感;存在阴影效应(由物体间或物体各部分遮挡产生)。另一种常用的激光测量法是光栅法。其优点是测量范围大、速度高、成本低、易于实现。缺点是精度不高,一般只能测量起伏不大的表面。CT方法特点是可以获得内外轮廓的数据,且不破坏工件;但精度不高。被动式测量目前很少在反向工程中使用。数据获取是反求工程准确建模的基础,影响数据获取质量的因素很多,主要包括以下几个方面:测量方法本身的精度、仪器的校准、测量范围的限制、阻塞(阴影,主要存在于光学测量系统中)、定位的准确性、多视图问题(要获取物体的所有数据,需要从几个方向测量,或者为了得到不同的数据密度,进行分片测量)、数据的局部丢失、被测表面的光洁度、零件数据的统计性分布(从一批产品抽取样本测量)等。由于以上原因,测量数据往往存在噪音,要经过数据预处理才可进行曲面拟合及CAD模型的建立。数据预处理过程主要是进行数据过滤、数据过滤有多种方式:例如:程序判断滤波、N点平均滤波以及预测误差递推辨识与卡尔曼滤波相结合的自适应滤波法等。3.2根据测量数据3D模型的重构按照数据的组织方式、模型的产生过程不同,CAD模型产生方法分为以下几类:(1)基于特征的建模方法。包括特征的提取(即区域划分及分类)、对每个特征进行曲面拟合、相邻求交或光滑过渡。特征提取即把数据点划分为多个子集,每个子集可以用一种面表示。虽然已有许多关于数据区域划分的研究,但目前使用的反向工程系统区域划分大多是交互或半交互方式。相邻面求交、光滑过渡一般是在CAD系统中交互进行。有人开发的CMM系统中,用户交互地各特征的边界进行数字化。有的系统中,面间的拓扑关系从已有的CAD模型(产品检测)中提取,在此基础上进行求交运算,最后产生B-rep表示的几何模型。(2)基于切片数据(截面数据)的建模方法此类数据具有特殊的分布方式,数据分布于一组平行的截面线上。模型产生有两种方法,第一种是连接相邻截面线上的点,形成G0连续的CAD模型;另一类方法先拟合截面线,再用蒙皮的方式产生曲面模型,是交互系统中常用方法之一。(3)基于可变形模型的建模方法首先产生一个简单的形状S,称为可变形模型,数据点D完全被S包围或S完全被数据点D包围。在S与D之间建立某种目标函数F及约束,通过收缩或膨胀S,使F达到极值以产生数据点的近似表示。F可有不同的取法。基于物理的建模方法是此类方法的特例。有人提出一种基于有限元的可变形物理模型。可变形模型由于建模的复杂性,模型往往具有针对性,所以,虽然有不少研究,但难以达到实用、通用。(4)整体的自动建模方法:以上三种方法对于由复杂雕塑面(人体器官、艺术品)或大型的自由曲面(例如,覆盖件)产生的散乱数据难以达到精确或自动的拟合,近年来出现了一些针对散乱点的整体曲面重构方法。此类方法用三角面片或光滑曲面片表示整个实体。4、反求工程的应用现状目前研究或应用中的反求工程系统可分为如下几类：（1）针对具体应用开发的系统；（2）专用曲面拟合软件系统；（3）与商用CAD系统相结合的系统；（4）测量与拟合的集成系统；（5）与快速原形制造相结合的系统。这些系统的开发都是在提高测量精度，加强拟合准确性，缩短产品制造周期等方面去发展。这也是反求工程本身的目的。5、反求工程的发展方向及关键技术当前使用的反向工程系统存在以下不足之处:(1)大多数系统是针对具体的应用而开发,数据处理，往往针对特定的测量设备、测量对象,通用性差；(2)曲面拟合系统大多是对于代数二次曲面,对自由曲面,特别是由大数据量散乱点拟合自由曲面,系统一般没有此功能；(3)数据区域分割往往要交互操作,降低了CAD建模的速度,自动化程度低；(4)系统集成化程度低,有些系统只侧重与曲面的拟合,有些系统只侧重于与特定制造技术的结合,系统只包含简单几何数据,不符合现代设计制造的并行思想。几何建模是反向工程的关键环节,同时也是影响反向工程速度的瓶颈环节,因此,提高反向工程几何建模的自动化程度和通用性是目前反向工程研究的一个重点方向。作者提出一种反向工程几何建模自动化系统,具有体现设计意图的特征建模的特点,数据点的组织方式不限,输出的B-rep模型与现有商用CAD系统完全兼容。系统的关键技术在于特征的自动提取、组合自由曲面的光滑连接。提高系统的集成性,有些情况CAD模型并不是必需的,或者为了最快的制造产品,需要数字化系统与CMM的直接结合；另外,有些产品需要多次进行CAE分析(例如注塑模、注塑件的设计),由数据点直接产生CAE模型,可以极大地提高产品的设计、分析过程,在上一节已有一些集成系统的应用实例,大多是根据具体情况的部分集成,有人已经提出了一种完整的反向工程集成系统框架,具有CAD、CAE、CAM多个数据接口,采用了面向对象的集成方法。关键技术是通用、开放的产品数据库结构。6、快速成型简述快速成形技术，也称快速原型技术（RapidPrototyping,RP）诞生于70年代末、80年代初，该技术采用逐点逐层成形方法，能够一次性成形结构任意复杂的零件原型，无需模具等工装，从而节约了制造成本，缩短了制造周期，实现了三维制造，有利于设计人员、制造人员和用户之间的信息交流，并且可在设计阶段完成实验研究工作，减少实验周期和材料消耗。RP技术的基本定义是：“由零件的三维CAD模型数据直接驱动成形设备，堆积材料而完成结构任意复杂且具有一定使用功能零件的科学技术”。快速成形技术汇集了计算机、机械、激光、CAD、数控、材料等工程领域的先进成果，解决了传统加工方法中的诸多难题，它的出现体现着生产技术的又一次突破。由该技术制作的零件原型可直接用于新产品的评价、装配检验以及性能评估等，可用于制造硅橡胶模具的母模和熔模铸造模具的消失模等，从而可以批量地生产塑料件和金属模具。快速成形技术在航空航天、机械电子以及医疗卫生等领域有着广阔的应用前景，自诞生以来就受到了广泛的关注并迅速成为制造领域的研究热点。快速成