高 宇，李衛(wèi)民，趙旭東，江國海，叢 偉

逆向工程技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

高 宇1，李衛(wèi)民2，趙旭東3，江國海2，叢 偉2

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2. 遼寧工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121001；3. 沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

針對逆向工程技術(shù)中的模型重構(gòu)的主要方法進行了分析，并對模型逆向重構(gòu)過程中使用的主要軟件及其適用性進行了總結(jié)。隨后，對模型重構(gòu)過程中的誤差來源進行了研究。最后，就這一技術(shù)的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀進行了3個層次上的分類，并對這一技術(shù)的未來發(fā)展方向進行了展望。

逆向工程技術(shù)；模型重構(gòu)；重構(gòu)誤差；應(yīng)用概況；未來發(fā)展

逆向工程技術(shù)產(chǎn)生于上世紀90年代，近年來隨著計算機技術(shù)及測量技術(shù)的發(fā)展，逆向工程技術(shù)已成為計算機輔助設(shè)計、分析與制造領(lǐng)域的一大研究熱點[1]。與產(chǎn)品正向開發(fā)相比，逆向工程技術(shù)的應(yīng)用可將產(chǎn)品開發(fā)周期縮短40%以上，可有效提高產(chǎn)品開發(fā)率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期[2]。

在實際研究與工程應(yīng)用上，逆向工程技術(shù)與CAD/CAM/CAE/CAI制造系統(tǒng)緊密的聯(lián)合起來，對于實際生產(chǎn)具有十分重要的應(yīng)用意義[3-4]。

1 逆向工程CAD技術(shù)

逆向工程技術(shù)是以現(xiàn)代設(shè)計的理念、方法和技巧為基石，借由現(xiàn)代化的數(shù)字測量手段，并以模型重構(gòu)為最終體現(xiàn)，同時還需要工程設(shè)計人員具備較為成熟的正向建模經(jīng)驗。在還原原設(shè)計模型基礎(chǔ)上，來掌握產(chǎn)品構(gòu)造上的關(guān)鍵技術(shù)要點。結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)的實際情況，能夠?qū)χ貥?gòu)模型進行適當?shù)男薷呐c創(chuàng)新設(shè)計，來達到產(chǎn)品更新和設(shè)計創(chuàng)新的目的。

廣義逆向工程技術(shù)可認為是對已有的先進產(chǎn)品所涉及到的產(chǎn)品設(shè)計方法、制造工藝和管理模式等各方面進行消化吸收，并在此基礎(chǔ)上尋求更大的突破[5]。廣義的逆向工程技術(shù)主要以實際產(chǎn)品模型的原始設(shè)計的技術(shù)文件、圖形學(xué)影像作為基本的研究對象，以產(chǎn)品系統(tǒng)工程學(xué)、設(shè)計方法學(xué)以及計算機輔助設(shè)計技術(shù)為依托，試圖找出并掌握產(chǎn)品整個生命周期中與設(shè)計、制造和管理相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，進而做到在開發(fā)同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，能夠做出相應(yīng)的改進甚至創(chuàng)新。它可以包括對產(chǎn)品設(shè)計目的以及原理的反求設(shè)計、美學(xué)視角和外觀理念上的反求設(shè)計、加工制造工藝的反求設(shè)計、材料反求設(shè)計以及管理模式反求設(shè)計等。如果單從產(chǎn)品模型重構(gòu)角度考慮，狹義逆向工程技術(shù)則單純以重構(gòu)模型為最終目的，即由“實物→圖紙”的過程。王鑫龍等[6]對點云數(shù)據(jù)的獲取方法、預(yù)處理過程、模型重構(gòu)的研究現(xiàn)狀進行了綜合評述。

2 模型重構(gòu)主要軟件、方法及誤差來源

2.1 逆向重構(gòu)的主要方法

就模型的逆向重構(gòu)過程來說，這一過程是貫穿于整個逆向工程技術(shù)的重要一環(huán)。從對已知產(chǎn)品最初的外形分析開始，再到掃描和三維模型的建立，幾乎所有的操作都是在為逆向重構(gòu)階段做準備工作。確保模型重構(gòu)的準確性，可為后續(xù)的模具開發(fā)、創(chuàng)新設(shè)計制造以及工程分析等階段提供可靠的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)建模的特點，模型的逆向重構(gòu)方法可分為3類：基于特征的傳統(tǒng)造型方法、基于非特征的快速造型方法以及混合建模方法。

2.1.1 基于特征的傳統(tǒng)造型方法

基于特征的傳統(tǒng)造型方法主要表現(xiàn)形式，仍是繼承了正向建模的思想，通過生成分隔符區(qū)域?qū)?shù)據(jù)分割，再將所分割各區(qū)域按照各自的特征進行曲面重建，將重建后的曲面適當修剪與縫合處理后最后生成實體模型。這一方式根據(jù)曲面的構(gòu)造方式還可以細分出兩類：曲線擬合法和曲面片擬合法。

曲線擬合法先是將掃描得到的測量點先進行曲線擬合，而后再依據(jù)擬合的曲線建立曲面（拉伸曲面及旋轉(zhuǎn)曲面等），將曲面進行裁剪與拼接后完成曲面模型的重構(gòu)；曲面片擬合法是利用掃描得到的測量點直接進行曲面擬合，再進行裁剪、過渡以及拼接等操作來完成模型的逆向重構(gòu)?；谔卣鞯膫鹘y(tǒng)造型方法更直觀的可以將其定義為“貼面法”，即將模型特征用擬合面進行包覆處理，之后再進行修剪去除多余邊界，重新生成實體后就完成了模型的重構(gòu)，將這一模型重構(gòu)方法是使用NURBS曲面直接由測量點或是曲線建立出曲面，嚴格遵循了“點→線→面”的建模流程。這一模型重構(gòu)方法需要前期對已知模型進行詳細的分析、精準的預(yù)判才能貼合并裁剪出能夠用于生成實體的曲面，因此應(yīng)用這一方法需要從業(yè)的工程技術(shù)人員具有較高的專業(yè)技巧以及建模經(jīng)驗，并不具備廣泛的適用性。

2.1.2 基于非特征的快速造型方法

基于特征的快速曲面造型方法是通過對原產(chǎn)品測量數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理后，通過建立多面體化的表面來實現(xiàn)的。通常需要對已經(jīng)獲得的三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行三角網(wǎng)曲面的重建，而后再對新建后的網(wǎng)格面片基于輪廓線或曲率線進行分割處理，進而會得到若干含有4條邊界的子網(wǎng)格曲面，并需要對這些子網(wǎng)格面片逐一進行參數(shù)化處理；最后再對曲面片進行擬合，得到利用NURBS曲面進行特征表達的CAD模型?；谔綔y輪廓線的逆向非特征建模，如圖1所示?；谔綔y曲率的逆向非特征建模，如圖2所示。叢海宸等[7]提出了一種基于邊界劃分的逆向非特征建模方法，并對這一方法的應(yīng)用流程以某人臉模型的點云數(shù)據(jù)進行了逆向重構(gòu)的演示，如圖3所示。

圖1 基于探測輪廓線的逆向非特征建模

圖2 基于探測曲率的逆向非特征建模

圖3 基于邊界劃分的逆向非特征建模

2.1.3 混合建模方法

隨著逆向工程技術(shù)研究的不斷深入，目前對于模型逆向重構(gòu)的方法主要采用“正/逆向相結(jié)合”的混合建模方式[8]。這一技術(shù)的改進能夠有效解決應(yīng)用于傳統(tǒng)的貼面法在進行曲面間的修剪與縫合時,由于剪切與縫合次序出現(xiàn)差錯而導(dǎo)致重構(gòu)后的模型變?yōu)闅んw的現(xiàn)象。這一方法最為本質(zhì)的特點即是使用掃描得到的測量點作為進行零件特征逆向重構(gòu)的草繪基準。實現(xiàn)在正向設(shè)計中所需的所有特征的建模尺寸均能在點云模型上提取并加以利用。在模型逆向重構(gòu)過程中，可以通過反復(fù)調(diào)整底層草繪或擬合的曲面來提高模型的重構(gòu)精度，若模型中存在對產(chǎn)品性能影響較大的特征，可對該特征的必要尺寸進行參數(shù)化管理，可以通過構(gòu)建參數(shù)化模型的辦法為后續(xù)的靈敏度分析或優(yōu)化設(shè)計做出相應(yīng)的準備工作。其中，康凱[9]在進行模型重構(gòu)過程中對模型關(guān)鍵位置進行了參數(shù)化修正，有效的提高了建模質(zhì)量。王興晨等[10]通過對點云數(shù)據(jù)特征點進行提取，實現(xiàn)了一種基于特征數(shù)據(jù)提取與CATIA二次開發(fā)的正逆向相結(jié)合的曲面重構(gòu)的新方法。在CATIA中讀入的數(shù)據(jù)點，如圖4所示；根據(jù)數(shù)據(jù)點生成的樣條曲線，如圖5所示；基于樣條曲線重構(gòu)的曲面，如圖6所示。

圖4 在CATIA中讀入EXCEL中數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)點

圖5 生成樣條曲線

圖6 生成曲面

2.2 逆向重構(gòu)的主要軟件

相比于正向設(shè)計軟件，能夠完成逆向工程技術(shù)中模型重構(gòu)的軟件與其最大的不同之處是需要具備強大的點云處理能力。目前，較為常用且成熟的專業(yè)逆向軟件主要有：Imageware、Geomagic Studio、RapidForm以及CopyCAD等[11]；隨著逆向工程技術(shù)的發(fā)展以及建模需求，一些常用的正向設(shè)計軟件中也逐漸增加了逆向設(shè)計模塊。

目前，雖然市面上能夠進行逆向設(shè)計的軟件類型很多，但就個別軟件而言在實際運用過程中，一些專用的逆向設(shè)計軟件還是存在一些弊端。以最常用的Imageware為例，在進行復(fù)雜曲面擬合時，其建模功能明顯弱于一些提供逆向建模功能的正向設(shè)計軟件。反過來，在讀取點云數(shù)據(jù)過程中，Imageware的處理速度明顯高于一些正向設(shè)計軟件，且在點云數(shù)據(jù)精簡、修復(fù)等方面所具有的優(yōu)勢也是其他一些正向設(shè)計軟件無法比擬的。因此，在實際工程問題的處理中，單單依靠某一軟件完成逆向設(shè)計過程是極不容易的，在實際應(yīng)用過程中就應(yīng)善于挖掘各軟件的見長之處，通過幾個軟件的配合就能夠快速且高質(zhì)量的完成模型的逆向重構(gòu)。

常用的專用逆向工程軟件主要有Imageware、Geomagic Studio、RapidForm等。Imageware適用于基于特征的傳統(tǒng)造型方法，它是采用NURBS技術(shù)，對于數(shù)據(jù)的處理遵循“點→曲線→曲面”的建模原則，可通過點云數(shù)據(jù)直接擬合出曲面。Geomagic Studio適用于基于非特征的快速造型方法，這一軟件可輕易將掃描得到的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出高質(zhì)量的多邊形模型與樣條四邊形網(wǎng)格，并可以自動轉(zhuǎn)成NURBS曲面，對于數(shù)據(jù)的處理遵循“點→多邊形→曲面”的建模原則，在處理復(fù)雜形狀及自由曲面時，建模效率比傳統(tǒng)CAD軟件高10倍，易于操作，具有良好且便捷的交互性。在處理掃描后的點云數(shù)據(jù)方面具有獨特的優(yōu)勢。RapidForm既適用于基于特征的傳統(tǒng)造型方法也適用于基于非特征的快速造型方法，這一軟件可將點云數(shù)據(jù)實時的轉(zhuǎn)換成無接縫的多邊形曲面，能夠處理無序及有序排列的點云數(shù)據(jù)，以及彩色點云數(shù)據(jù)。

常用的含有逆向建模功能的正向設(shè)計軟件主要有：Pro/E、CATIA和UG。三者均適用于基于特征的傳統(tǒng)造型方法或混合建模方法。其中，Pro/E中主要的應(yīng)用模塊是Pro/Scan-tools，Pro/E在逆向建模過程中需提供三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)，在逆向點數(shù)據(jù)獲取過程中如果采用的接觸式的手動測量，由于采集到的測量點數(shù)目偏少就不易進行模型的逆向重構(gòu)，擬合出的模型精度不能得到有效保證，因此在采用Pro/E的相關(guān)模塊進行時逆向設(shè)計時，對于點云數(shù)據(jù)的獲取方式最好采用非接觸式掃描。CATIA中主要的應(yīng)用模塊有4個：DSE（digitized shape editor，數(shù)字編輯器）/QSR（quick surface reconstruction，快速曲面重建）/GSD（generative shape design，創(chuàng)成式外形設(shè)計）/FS（free style，自由造型設(shè)計），4個模塊均可應(yīng)用于模型逆向重構(gòu)過程中且可自由切換，對于以非接觸式掃描得到的點云數(shù)據(jù)具有良好的處理能力。UG中主要的應(yīng)用模塊是Point Cloud，對于建模方式上遵循“點→曲線→曲面”的一般性原則，與Pro/E相比，其在對于采用的接觸式的手動測量方式所獲取的點云數(shù)的處理上具有突出優(yōu)勢。

2.3 逆向重構(gòu)的誤差來源

通常需要進行重構(gòu)操作的模型基本都為成型產(chǎn)品，或為鑄件或為精加工件，值得注意的是產(chǎn)品在模具制作過程中會存在加工誤差，零件毛坯在鑄造過程中由于材料在升溫以及冷卻過程中均存在一定的收縮率，因此在零件的逆向重構(gòu)過程中初始的誤差在零件制造的初始階段就已經(jīng)產(chǎn)生了，即鑄造產(chǎn)品雖然能夠滿足加工與成型技術(shù)要求，但其成型后與初始的設(shè)計圖紙已經(jīng)存在了一定誤差。且零件在加工過程過程也會存在一定的形位公差，以上這些由于制造、加工、裝配以及運輸?shù)冗^程中帶來的損傷以及誤差都是客觀存在的。

除此之外，零件在掃描過程中即使掃描設(shè)備精度再高也避免不了誤差的存在。對于非接觸式測量，由于零件上存在深孔特征或是由于遮擋沒有完全暴露在掃描儀的光線下，會造成特征獲取不完全的現(xiàn)象出現(xiàn)，并且在掃描過程中工件的精加工面的邊緣位置也極易出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象。

因此可以認為在整個逆向建模過程中，逆向重構(gòu)后模型的誤差是零件在鑄造、加工、掃描以及重構(gòu)基礎(chǔ)上多重誤差累積的結(jié)果[12]?；谝陨显蛩玫降狞c云數(shù)據(jù)與產(chǎn)品的最初設(shè)計尺寸間會存在一定差距，這就需要在模型重構(gòu)過程中對一些細微特征進行模型底層草圖的再設(shè)計以求最真實還原模型的最初設(shè)計結(jié)構(gòu)。由于誤差的存在，為校驗重構(gòu)后的CAD模型與樣件之間的誤差究竟有多大，建模精度是否是工程應(yīng)用中可接受的精度就需要對模型重構(gòu)后的精度進行檢驗，然而目前如何系統(tǒng)的對重構(gòu)后的模型的進行精度的評價，仍未形成統(tǒng)一的檢測標準，且就檢測方法上來說，學(xué)者們普遍只是通過重構(gòu)后的最終模型與點云數(shù)據(jù)進行對比來評估誤差具體有多大。

3 應(yīng)用概況

目前縱觀國內(nèi)外關(guān)于逆向工程技術(shù)的早期研究絕大多數(shù)都是僅僅集中在先進產(chǎn)品的幾何外形及對產(chǎn)品性能具有直接影響的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的反求設(shè)計，即大多數(shù)只停留在模型數(shù)字化重構(gòu)方面。近年來縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，在國內(nèi)研究上，這一技術(shù)的應(yīng)用對象主要以工業(yè)產(chǎn)品為主，而國外研究主要以定制個性化的醫(yī)療產(chǎn)品為主。近年來逆向工程技術(shù)從應(yīng)用角度上看可以大致分為3個層次：

第一層次可以認為是單純對現(xiàn)有模型進行復(fù)制重構(gòu)，屬于應(yīng)用過程中的初級層次，它以最高限度的復(fù)制還原原始模型為最終目的，諸如生物工程醫(yī)療領(lǐng)域中人體骨骼、關(guān)節(jié)等的復(fù)制以及醫(yī)療護具的個性化訂制；文物與藝術(shù)品的復(fù)制；當產(chǎn)品設(shè)計過程中出現(xiàn)原始設(shè)計圖紙不慎遺失、缺少或裝配產(chǎn)品中零部件需再設(shè)計的情況。例如：劉賽[13]對某新型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)進行了模型重構(gòu)后，又通過三坐標測量儀對重構(gòu)后的轉(zhuǎn)向節(jié)實物模型進行了關(guān)鍵部位的測量與分析，經(jīng)對比后又進一步驗證了模型重構(gòu)的可靠性，為重構(gòu)后模型檢測提供了新思路。李衛(wèi)民等[14-15]提出采用硅膠填充的辦法來獲得深孔特征的尺寸數(shù)據(jù)。白瑀等[16]采用旋轉(zhuǎn)法與截面曲線法分別創(chuàng)建了葉輪的不同結(jié)構(gòu)特征，采用統(tǒng)計學(xué)中的正態(tài)分布對葉輪重構(gòu)總誤差進行了評定。董玉德等[17]在對輪胎花紋點云數(shù)據(jù)的提取方法上，采用了空間分割技術(shù)及主成分分析法，將三維點云轉(zhuǎn)化成了灰度圖像，通過上述方法的操作得到了比較完整的微細特征的點云，解決了以往通過曲率和法向矢量提取出特征點出現(xiàn)的精度及完整性均不足的問題。

第二層次可以認為是對現(xiàn)有模型進行改進設(shè)計，這是一種依托于逆向工程基礎(chǔ)上的再設(shè)計過程，在已有的國內(nèi)外先進產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對其進行性能評估、優(yōu)化與再設(shè)計。例如鐘光明[18]采用逆向工程技術(shù)對家具進行了創(chuàng)新與改良設(shè)計。卜俊等[19]對SUV后圍保險杠進行了改進設(shè)計。

第三層次可以認為是在繼承前2個研究層次的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新設(shè)計。近年來就逆向工程技術(shù)應(yīng)用層面來看，該技術(shù)不再僅僅是以逆向重構(gòu)原始模型為最終目的，而更多的則是作為前處理技術(shù)貫穿于產(chǎn)品開發(fā)整個周期中。模型逆向重構(gòu)后也會借助CAE技術(shù)進行相應(yīng)的分析與改進，評估相應(yīng)性能后才能交付生產(chǎn)。

在醫(yī)療領(lǐng)域進行個性化定制分析尤為突出，例如：Soni等[20]對靜態(tài)生理載荷條件下股骨損壞位置的內(nèi)側(cè)固定板進行了個性化設(shè)計，在此基礎(chǔ)上基于有限元技術(shù)對其與股骨的裝配體進行了靜力學(xué)分析。這一技術(shù)的應(yīng)用有助于減少手術(shù)失敗的風(fēng)險和術(shù)后因骨折處愈合不良造成的殘余疼痛。文軍等[21]驗證了采用逆向工程技術(shù)得到的重構(gòu)后的心房憩室模型應(yīng)用于有限元分析的可行性。

此外在機械工程領(lǐng)域，趙文勇等[22]驗證了應(yīng)用逆向工程技術(shù)，對于有效縮小電焊分析時實際工況與有限元分析結(jié)果之間的誤差的可行性。莊超等[23]驗證了逆向工程技術(shù)與聲學(xué)邊界元數(shù)值計算進行結(jié)合，應(yīng)用于聲學(xué)邊界元計算中的可行性與有效性。李巖等[24]驗證了拓撲優(yōu)化與逆向工程技術(shù)相結(jié)合的方法在產(chǎn)品輕量化設(shè)計過程中的可行性。

4 未來發(fā)展方向

逆向工程技術(shù)作為消化吸收現(xiàn)有先進技術(shù)的一種先進制造理念，從應(yīng)用層次上考慮不能僅僅以仿制作為最終目標，而是應(yīng)該由模型重構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)向創(chuàng)新設(shè)計與再設(shè)計。產(chǎn)品三維數(shù)字模型的獲取僅僅是產(chǎn)品再設(shè)計的基石，在產(chǎn)品在設(shè)計過程中創(chuàng)建參數(shù)化模型并將逆向工程與有限元模擬分析相結(jié)合是未來加工制造業(yè)的趨勢，將逆向工程技術(shù)作為紐帶，貫穿于產(chǎn)品設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，使得CAD/CAE/CAM/CAI/CAPP/CAT/RP等先進技術(shù)作為相互影響的有機整體，來形成以逆向工程技術(shù)為核心的新型產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)體系。

5 結(jié)論

CAD技術(shù)作為現(xiàn)代化設(shè)計的一種重要手段，是一個不斷進步、基于實踐工程不斷豐富的技術(shù)。逆向工程技術(shù)作為快速吸收先進制造技術(shù)的方法具有極強應(yīng)用價值，目前以正逆向技術(shù)為主的混合建模思想已廣泛應(yīng)用，對于一些復(fù)雜曲面的逆向重構(gòu)技術(shù)已有相關(guān)研究成果報道并具有良好的可操作性。在未來的發(fā)展中逆向工程技術(shù)將逐漸成為工程分析中的前處理技術(shù)，在模型的逆向重構(gòu)過程中配合參數(shù)化建模，通過對底層草繪尺寸的參數(shù)化管理不僅能夠有效提高建模質(zhì)量，也能夠為模型的相關(guān)特性校核以及靈敏度分析提供有效的分析模型。

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Current Situation and Prospects of Reverse Engineering Technology

GAO Yu1, LI Wei-min2, ZHAO Xu-dong3, JIANG Guo-hai2, CONG Wei2

（1. College of Automobile and Traffic Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China; 2.College of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China; 3.School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China）

This paper firstly analyzes the main methods of model reconstruction in reverse engineering technology, and the main software used in the process of model reverse reconstruction and its applicability are summarized. Then, the error sources in the process of model reconstruction are studied. Finally, the application status of this technology at home and abroad is classified in three levels, and the future development direction of this technology is prospected.

reverse engineering technology; model reconstruction; reconstruction error; application overview; future development

TH164

A

1674-3261(2021)02-0090-05

10.15916/j.issn1674-3261.2021.02.005

2020-07-26

遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（CYYJY-201802）

高宇(1981-)，男，遼寧錦州人，助理實驗師。

責(zé)任編校：劉亞兵