反求工程

反求工程的概述摘要：本文阐述了反求工程的基本概念，反求设计过程等，对关键技术进行了分析，对目前逆向工程研究存在的问题及对策进行了讨论，最后简述了反求工程的发展现状与发展趋势。引言反求工程(ReverseEngineering，RE)这一术语起源于20世纪60年代但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,该技术逐渐成熟,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。一．基本概念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，对已有新产品或者技术进行解剖、深化，仿型或开发出同类型创新产品的设计技术。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。反求设计中要紧紧抓住两个关键,一是在剖析原产品或技术中的“求”,二是在“再设计”中的“改”或“创”。通过反求,进行工程设计,起点高,更容易得到创新的产品。反求工程的设计过程与传统的设计过程是完全不同的。传统设计过程是在市场调研的基础上,根据功能和用途来设计产品,得到图纸或CAD模型,经检查满意后制造出产品来。而反求工程是从一存在的零件或原型入手,首先对其进行数字化处理(即将整个零件用一个庞大的三维点的数据集合来表示),然后是构造CAD模型。CAD模型经检查满意后,根据需要可输出图纸,最后制造产品。二者的比较如图：传统设计方法反求技术简单说来,传统设计和制造是从图纸到零件(产品),而反求工程的设计是从零件(或原型)到图纸,再经过制造过程到零件(产品)。这就是反求的含义。二．反求设计的过程反求设计分为反求和再设计两个阶段。反求阶段主要是通过对原有产品或技术的剖析,吸取关键技术,达到为我所用;查证原有产品或技术存在矛盾及问题,为改进或创新设计明确方向。再设计阶段也称二次设计阶段,主要是仿型或开发出同类型的创新产品。反求设计过程下面,以反求工程三维实体重构的系统为例,说明实体的三维重构过程：2.1.数据获取数据获取又称零件数字化,实物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,开发高精度、快速的数字化测量系统和测量软件。如何根据几何外形选取不同的测量方法和测量路径,一直是数字化技术的主要研究内容,目前的3维数字化方法,根据测量探头或传感器是否和实物接触,可分为接触式和非接触式2类：2.1.1接触式测量方法三坐标测量机(coordinatemeasuringmachine,CMM)是广泛采用的接触式测量设备,作为一种大型精密的测量仪器,CMM开始是用于制造产品的检测,可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行测量。在逆向工程应用的初期,CMM是数据采集的主要手段,具有测量精度高、适应性强的优点,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测量,数据需进行测头半径补偿。2.1.2非接触式测量方法非接触式测量根据测量原理的不同,有光学测量、超声波测量、电磁测量等方式。较为成熟的是光学测量方法,有激光扫描、莫尔条纹、结构光、数字图像处理等方法。2.1.3数字化方法的发展及应解决的问题目前测量设备的发展趋势是向着高速、高精度、系统化、集成化、智能化的方向发展,对传统的三坐标测量机,一方面是提高测量速度,另一方面发展了三坐标机与光学系统组合的自动测量系统,由3D视觉系统获得实物的初始外形,用以定制和规划CMM扫描路径。他的测量手段也在开发研制中,如测量3维形状的计算机辅助投射条纹系统等。激光测量同样也采取组合技术,为实现测量自动化,将CCD相机和3D激光扫描相结合,CCD相机用来确定实物的空间位置,用以指导测量路径编程。测量软件也日趋丰富,针对特殊的零部件几何外形,各生产厂商相继开发了专用的测量软件,以及增加支持逆向工程数据处理、曲线面拟合的模块,与设备配套运行。但文献提出的一些问题依然存在,如测量定位、可测性、阻碍等。对目前用于逆向工程的数字化技术,最大的不足还在于,各种测量方法的测量过程仍是一个孤立的行为,测量方案并没有考虑后续的模型重建和数字化加工的要求,如果能根据几何外形和逆向工程的要求进行测量规划和基于特征进行模型扫描和测量,不仅可以减少测量数据和实现测量自动化,对CAD模型重建也是至关重要的,因此测量技术的发展除了先进仪器设备和测量手段多样化的要求外,还应重视面向逆向的测量软件的研究与开发,软件应具备人工交互及自动编程、规划及优化测量路径,以及特殊曲线、曲面的自动测量等功能。2.2测量数据的预处理CAD模型重建之前应进行数据预处理,工作包括数据平滑、排除噪声数据和异常数据、压缩和归并冗余数据、遗失点补齐、数据分割、多次测量数据及图像的数据定位对齐和对称零件的对称基准重建。数据平滑通常采用标准高斯、平均或中值滤波算法,高斯滤波能较好地保持原数据的形貌,中值滤波消除数据毛刺的效果较好,应用时可根据数据质量和建模方法灵活选择滤波算法。数据精简是减少数据“点云”中存在的大量冗余数据,主要针对激光测量产生的点云数据,不同类型的“点云”可采取不同的精简方式,如散乱点可选择随机采样、均匀网格、三角网格方法;扫描线和多边形点云可采用等间距缩减、倍率缩减、等量缩减、弦高差等方法;网格化点云可采用等分布密度法和最小包围区域法等。数据平滑和精简存在的问题是有时会丢失有用的数据信息,特别是尖锐角、棱线以及曲率变化大的区域的数据。2.3模型重建及再设计在分析反求已有产品的基础上进行设计,称为“再设计”或“二次设计”。二次设计与一般的创新设计相同,也要经过产品规划、方案设计、技术设计、施工设计4个主要阶段。产品规划主要在探寻原产品设计思想的前提下,进行详细的需求分析、市场预测,确定设计参数和制约条件,提交详细的设计任务书作为设计评价、决策的依据。方案设计(也称概念设计)阶段,主要依据对原产品的分析,确立执行系统原动系统、传动系统测控系统等设计方案,以期达到或超越原产品的性能。技术设计阶段,在原理方案的基础上,抓住关键功能、关键技术、关键结构、关键材料等因素,进行具体结构的优化设计。施工设计阶段,主要对零部件的装配进行详细设计,完成全部生产图纸工艺文件等的编制。二次设计与一般设计的不同点在于,有时设计侧重于仿型,有时侧重于变异,有时侧重于开发。仿型设计属于基本模仿原设计,有时在材料国产化、标准件国际化方面作必要的对照改变。变异设计是在原产品基础上,对某些参数、结构、材料、工艺等作出改进,以超越原产品或形成产品系列化生产。开发设计则是在分析原产品的基础上,抓住功能的本质,从原理方案上大胆实施创新设计,以期获得相同功能的不同产品。CAD模型重建是逆向工程的关键,根据实物外形的数字化信息,可以将测量得到的数据点分成2类:有序点和无序点(散乱点),由不同的数据类型,形成了不同的模型重建技术。目前较成熟的方法是通过重构外形曲面来实现实物重建。常用的曲面模型有BezierB-Spline、NURBS和三角Beizer曲面。三不同反求对象的分析特点按照反求的对象不同,可将反求分为实物反求、软件反求和影像反求3种：3.1实物反求实物是指原产品的实际设备、零部件。实物反求的对象最具体,具有较好的分析条件。实物反求时,先对有关产品进行外观分析和性能试验。在功能分析、原理方案分析的基础上,按部件、组件零件逐步分解测量,求得零件的材料、结构形状尺寸和零件之间的组配关系,分析零件的加工工艺和精度要求。通过全面反求,掌握原产品的关键技术,探查产品存在的矛盾及不足。3.2软件反求软件指产品图纸、技术资料文件产品样本说明书等。通过软件反求,一般可知产品的功能理方案和结构组成。若有零件图,则可详细了解零件的材料尺寸、精度有时,只有进行零件的性能计算和模拟试验,才能确定某些因素。3.3影像反求根据图片影视画面等影像资料,进行产品反求设计,称为影像反求。通过影像资料得到的设计信息最少,反求难度最大,要求设计者具有较丰富的设计实践经验。影像反求,首先要根据产品的工作要求,分析其功能和原理方案。影像反求时,产品结构和材料的分析,往往要根据其外部已知信息,参照功能和工作原理进行推理。为了得到较准确的形体尺寸,需要采用透视图原理,求出各尺寸之间的比例,然后用参照物对比法确定待求尺寸。参照物可以是已知尺寸的人、物或景。四反求工程的关键技术目前国内外的反求工程研究仅限于CAD模型三维重构,且用重构参数作为制造产品的原始参数,是一种“形状制造”而不是“精度制造”,这是目前反求工程研究的缺憾。针对这种情况,我们认为,反求工程的研究,尚处于我们称之为反求工程的初始阶段。充分发挥反求工程的特点,不但能通过原型实现消化和吸收,而且还要修改和再设计,实现创新之目的。因此,反求工程的研究,应解决以下关键技术:（1）研究更加实用的测量方法和设备,提高测量精度,减小测量误。(2)研究更加实用的三维重构方法和软件系统,提高计算精度,减小计算误差。(3)将人工智能技术、数理统计理论、精度设计等多学科技术合理运用,形成一个独特的设计参数还原的技术,有效地解决原始设计参数还原问题。(4)建立能满足反求工程Ⅱ要求的产品主模型技术及描述产品装配关系的产品装配建模体系,以利于原始设计参数的还原。(5)开发包含有原型产品的精度设计与分析功能、可实现原始设计参数还原的软件。五逆向软件伴随着逆向工程及其相关技术基础研究的进行,其成果的商业应用也受到重视。较早是一些商品化的CAD/CAM软件集成进专用的逆向模块,如Pro/Engineer的SCAN-TOOLS模块、UGⅡ的点云处理、曲线及曲面拟合功能和STRIM100的点处理加工、自动生成曲面和简单的边界识别等功能。在此基础上,由于市场需求的增长,有限的功能模块已不能满足数据处理、造型等逆向技术的要求,后期发展形成了专用的逆向软件。目前面市的产品类型已达数十种之多,较具代表性的有SDRC公司的ImageWareSurfaceRaindropGeomagic公司的Geomagic、Paraform公司的Paraform、UGS公司的QuickShape、PTC公司的ICEMSurf、DELCAM公司的CopyCAD软件,MDTV公司的SurfaceReconstruction,以及AliasWavefront公司的SurfaceStudio等。上述软件共同的特点是具备多种数据处理及分割方法,具有部分规则特征识别,自动曲面拟合,强大的曲线、面编辑处理和模型评估检查的功能,不同格式的数据转换接口。如果是CAD/CAM软件公司开发的产品,还可以和各自的CAD/CAM母体软件实现无缝集成,并利用其提供的强大功能支持,形成技术和市场优势,其中ImageWareSurfaceParaform系列软件代表了逆向工程技术的最新进展。六目前存在的问题尽管经过多年的发展,逆向工程研究领域取得了上述的研究成果,但在应用方面、理论方面仍然很不成熟,还有若干问题有待于解决:①缺乏统一的逆向工程的概念、标准术语。导致了研究人员在交流上的困难,不利于工具的研制,也不利于逆向工程技术的应用;②缺乏统一的逆向工程机制的分类框架。导致不同工具或技术比较功能和性能时的困难。尽管costR.ITUcy等人提出来一个逆向工程描述模型作为分类框架,但该框架还有待于进一步的评估、验证;③缺乏对逆向工程工具的广泛使用。逆向工程工具缺乏与其它开发工具的有效集成,影响到使用的普及,导致逆向工程技术发展上的困难;④缺乏对现有工具和理论进行有效评估的标准及工具。尽管出现了一些评估技术及其应用,还是缺乏统一的评估标准,缺乏有效的验证工具的支持,无法确定逆向工程技术是否得到