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反求工程赵英皇（湖南文理学院机械工程学院，常德415000）摘要：本文详细介绍了反求工程的含义、方法、发展等情况，对于反求工程的应用以及涉及到知识产权的问题也一并作了概述。从一个较高的层面全面的介绍反求工程，注重对概念及思想、理论的探索，而不是直接的方法论。从某种意义上讲，这应该是一篇介绍反求工程的文章，不论是对其意义还是对其方法都作了概述，指引读者向着更深的层次前进。关键词：反求工程技术创新ReverseEngineeringZhaoyinghuang(MechanicalEngineeringCollege,HunanUniversityofArtsandScience,Changde415000)Abstract:Thispaperintroducesthemeaningofreverseengineering,themethod,thedevelopmentandsoon,forreverseengineeringapplicationandrelatedtointellectualpropertyisalsoaandsummarized.Fromahigherlevelcomprehensiveintroductionreverseengineering,paysgreatattentiontotheconceptandidea,theoreticalexploration,notdirectlymethodology.Inasense,thisshouldbeanintroductionreverseengineeringofthearticle,whetherforitsmeaningorthemethodswerereviewed,directsreaderstodeeperlevelsofforward.Keywords:ReverseEngineeringTechnologyInnovation反求工程（ReverseEngineering，RE），也称逆向工程、反向工程，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程，是一个从样品生成产品数字化信息模型，并在此基础上进行产品设计开发及生产的全过程。1基本介绍反求工程（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。2含义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。3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：实物类：主要是指先进产品设备的实物本身；软件类：包括先进产品设备的图样，程序，技术文件等；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：探索原产品设计的指导思想，掌握原产品设计的指导思想是分析了解整个产品设计的前提。如微型汽车的消费群体是普通百姓，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。探索原产品原理方案的设计各种产品都是按定的使用要求设计的，而满足同样要求的产品，可能有多种不同的形式，所以产品的功能目标是产品设计的核心问题。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。探索原产品原理方案的设计，可以了解功能目标的确定原则，这对产品的改进设计有极大帮助。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关系。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。它是反求设计中工作量很大的一部分工作。为更好地进行形体尺寸的分析与测绘，应总结箱体类，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。确定产品中零件的精度确定零件的精度（即公差设计），是反求设计中的难点之一。通过测量，只能得到零件的加工尺寸，而不能获得几何精度的分配。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。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。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。确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。4关键技术4.1实物原型的数字化技术实物样件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法，获取零件表面离散点的几何坐标数据的过程。随着传感技术、控制技术、制造技术等相关技术的发展，出现了各种各样的数字化技术，如图所示。4.2数据点云的预处理技术获得的数据一般不能直接用于曲面重构，因为对于接触式测量，由于测头半径的影响，必须对数据点云进行半径补偿；在测量过程中，不可避免会带进噪声、误差等，必须去除这些点；对于海量点云数据，对其进行精简也是必要的。包括：半径补偿、数据插补、数据平滑、点云数据精简、不同坐标点云的归一化等。4.3三维重构基本方法复杂曲面的CAD重构是逆向丁程研究的重点。而对于复杂曲面产品来说，其实体模型可由曲面模型经过一定的计算演变而来，因此曲面重构是复杂产品逆向工程的关键。包括：多项式插值法、双三次Bspline法Coons法、三边Bezier曲面法、BP神经网络法等。4.4曲线曲面光顺技术在基于实物数字化的逆向工程中，由于缺乏必要的特征信息，以及存在数字化误差，光顺操作在产品外形设计中尤为重要。根据每次调整的型值点的数值不同，曲线/曲面的光顺方法和手段主要分为整体修改和局部修改。光顺效果取决于所使用方法的原理准则。方法有：最小二乘法、能量法回弹法、基于小波的光顺技术等。4.5逆向工程的误差分析与品质分析5反求工程的四个阶段反求工程一般可分为四个阶段：5.1零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。5.2从测量数据中提取零件原形的几何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。5.3零件原形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。5.4重建CAD模型的检验与修采用根据获得的CAD模型重新测量和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，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。6反求工程中常用的测量方法6.1接触式测量方法6.1.1坐标测量机坐标测量机是一种大型精密的三坐标标测量仪器，可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行逆向工程测量。坐标测量机一般采用触发式接触测量头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值。九十年代初，英国Renishaw公司研制出一种三维力一位移传感的扫描测量头，该测头可以在工件上滑动测量，连续获取表面的坐标信息，扫描速度可达8米/秒，数字化速度最高可达500点/秒，精度约为0.03mm。这种测头价格昂贵，目前尚未在坐标测量机上广泛采用。坐标测量机主要优点是测量精度高，适应性强，但一般接触式测头测量效率低，而且对一些软质表面无法进行逆向工程测量。6.1.2层析法层析法是近年来发展的一种反求工程逆向工程技术，将研究的零件原形填充后，采用逐层铣削和逐层光扫描相结合的方法获取零件原形不同位置截面的内外轮廓数据，并将其组合起来获得零件的三维数据。层析法的优点在于任意形状，任意结构零件的内外轮廓进行测量，但测量方式是破坏性的。6.2非接触式逆向工程测量方法非接触式测量根据测量原理的不同，大致有光学测量、超声波测量、电磁测量等方式。以下仅将在反求工程中最为常用与较为成熟的光学测量方法（含数字图像处理方法）作一简要说明。6.2.1基于光学三角型原理的逆向工程扫描法这种测量方法根据光学三角型测量原理，以光作为光源，其结构模式可以分为光点、单线条、多光条等，将其投射到被测物体表面，并采用光电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根据光点或光条在物体上成象的偏移，通过被测物体基平面、象点、象距等之间的关系计算物体的深度信息。6.2.2基于相位偏移测量原理的莫尔条纹法这种测量方法将光栅条纹投射到被测物体表面，光栅条纹受物体表面形状的调制，其条纹间的相位关系会发生变化，数字图像处理的方法解析出光栅条纹图像的相位变化量来获取被测物体表面的三维信息。6.2.3基于工业CT断层扫描图像逆向工程法这种测量方法对被测物体进行断层截面扫描，以X射线的衰减系数为依据，经处理重建断层截面图像，根据不同位置的断层图像可建立物体的三维信息。该方法可以对被测物体内部的结构和形状进行无损测量。该方法造价高，测量系统的空间分辨率低，获取数据时间长，设备体积大。美国LLNL实验室研制的高分辨率ICT系统测量精度为0.01mm。6.2.4立体视觉测量方法立体视觉测量是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个（多个）摄象机拍摄的图像中的视差，以及摄象机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。立体视觉测量方法可以对处于两个（多个）摄象机共同视野内的目标特征点进行测量，而无须伺服机构等扫描装置。立体视觉测量面临的最大困难是空间特征点在多幅数字图象中提取与匹配的精度与准确性等问题。近来出现了以将具有空间编码的特征的结构光投射到被测物体表面制造测量特征的方法有效解决了测量特征提取和匹配的问题，但在测量精度与测量点的数量上仍需改进。参考文献：【1】张春林.机械创新设计.北京：机械工业出版社，2010【2】孙靖民