逆向工程技術概述

　　逆向工程是數字化與快速響應制造大趨勢下的一項重要技術，是CAD領域中一個相對獨立的范疇。美國的R. Martin和J. Cox致力于逆向工程技術的研究，他們將逆向工程簡單地定義為“理解原始的設計意圖和機制”，包括形狀、材料、工藝等諸多方面。目前有關逆向工程的研究和應用大多數針對實物模型的幾何形狀的反求，在這個意義下，逆向工程是根據已有實物模型的坐標測量數據，重新建立實物的數字化模型，而后進行分析、加工等處理。這里的實物模型可以是機械產品、人體、動植物、藝術品、地形地貌等等。通過實物模型產生其數字化模型，可以充分利用數字化的優勢，提高設計、制造、分析的質量和效率，并適應智能化、集成化、并行化、網絡化的產品設計制造過程中的信息存儲與交換。逆向工程將現代坐標測量設備作為產品設計的前置輸入裝置和原型或產品制造后的檢測手段，與RPM(快速原型制造)、CAD/CAM(計算機輔助設計與制造)、先進計算機硬件技術相結合并形成產品設計制造的閉環系統，能有效提高產品的快速響應能力，豐富幾何造型方法和產品設計手段，其關鍵技術可用于其他許多領域，從而拓寬計算機輔助建模的應用。

　　逆向工程并不限于樣件復制，其目標是實現一種智能化的三維掃描識別重建系統。相比二維信息的掃描，基于三維重構的逆向工程需要處理的數據信息更為豐富，數據量呈幾何級數增長，而且掃描精度越高，數量量越大。因此，除了需要正確選擇足夠精度要求的掃描設備，還要具備能靈活采集、編輯點云、最終形成曲面乃至實體的逆向軟件，同時要有性能足夠的計算機硬件設備，以便順利完成模型的構建。

　　早期的逆向工程技術由于缺乏足夠精度的掃描設備、功能豐富的軟件和性能強大的計算機，而受到了限制。本文將結合逆向工程技術發展和應用，幫助用戶選擇上述三種平臺。航空航天、汽車、模具、電子電器等廣泛的行業用戶將能利用逆向工程技術，提高設計效率，加速產品設計的創新。

　　正確選擇測量系統

　　數據采集是逆向工程中的第一個環節，是數據處理、模型重建的基礎。如何高效率、高精度地采集樣件的外形數據是逆向工程的一個重要研究內容。

　　隨著科學技術的不斷發展，測量技術也隨著新的物理原理、新的技術成就的不斷引入而獲得長足發展，光波干涉技術特別是激光技術的實用化使得測量精度提高了1-2個數量級;數字顯示技術在測量上得到了充分的應用，提高了讀數精度和可靠性;光電攝像技術與計算技術的結合，使得對復雜零件的測量無論是精度還是效率都得到了極大的提高。目前，主要的坐標測量方法分類如圖1所示。

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　　坐標測量可分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類。接觸式測量方法通過傳感測量頭與樣件的接觸而記

　　錄樣件表面的坐標位置，可以細分為點觸發式和連續式數據采集方法。對于航空航天、汽車等行業，大型樣件的測量一般可以選用接觸式測量，以滿足精度要求。因為，接觸式測量中的點觸發式測量可以通過人為規劃，使得在大曲率或曲率變化劇烈的區域獲得較多的測量點，而在相對平坦的區域則可以測量較少的點。結合造型方法，人工對被測物體進行區域規劃，測量對物體形狀起關鍵作用的特征線和曲線網格，數據點可以根據需要組織成模型重建軟件所需要的形式，然后根據特征線及曲線網格重建物體的CAD模型，減少了數據處理的難度和工作量。其唯一的缺點是測量效率較低。

　　非接觸式測量方法主要是基于光學、聲學、磁學等領域中的基本原理，將一定的物理模擬量通過適當的算法轉化為樣件表面的坐標點。例如：聲納測量儀利用聲音遇到被測物體產生回聲的時間計算點與聲源間的距離;激光測距法是將激光束的飛行時間轉化為被測點與參考平面間的距離。非接觸式測量使測量效率得到了極大提高，某些光學測量機可以在數秒鐘內得到幾十萬個數據點，因而在測量過程中可以大大減少人工測量規劃，在整個樣件表面快速采集大量的密集點集。由于操作簡便，以激光測距法為代表的非接觸式測量技術近兩年來，發展迅速，應用普及面越來越廣。不過，非接觸測量獲得的海量數據的數據量非常龐大，常有幾十萬、上百萬，甚至更多。必須配合較強功能的逆向軟件和高性能的計算機設備，才能順利使用。不過，將五年來，按照摩爾定律，計算機硬件的性能迅速提高，軟件技術也今非昔比，基于光學的非接觸式測量方法和坐標測量設備在逆向工程中得到了更為廣泛的應用。

　　筆者建議有條件的用戶選用易于使用的光學非接觸式坐標測量設備。

　　市場上常見的坐標測量設備有Faro的便攜3-D數字化設備FaroArm，它屬于接觸式便攜臂式測量設備，能夠克服機械測量儀器的缺陷，它能夠捕捉其球測頭范圍內的任何一點，精確程度達0.0005英寸。這款設備在航空航天、汽車制造以及OEMs制造領域屬于常見測量工具。賽克數碼的SK4004A大范圍數字化影像測量儀，其可測范圍達320x200mm,工作平臺612x413mm，其3um測量精度下速度可達500mm/min。位移驅動0.1um，位移解析度0.4um，重合精度達3um，線性精度(3 L/150) um。其它類似的設備非常多，國外的光學坐標測量設備主要在精度、測量速度、數據分析等方面領先，國內設備也比較實用。

　　選擇功能強大的逆向軟件

　　模型重建是逆向工程中最關鍵的部分之一，這里離不開功能強大的逆向軟件。

　　迄今為止，在國際市場上，出現了多個與逆向工程相關的軟件系統，主要有：美國UGS公司的Imageware Surfacer7.1、英國DelCAM公司的 CopyCAD、英國MDTV公司的STRIM and Surface Reconstruction，在一些流行的CAD/CAM集成系統中也開始集成了類似模塊，如Unigrahics 中的PointCloud功能、Pro/Engineering中的Pro/SCAN功能、Cimatron中的Reverse Engineering功能模塊等。在我國，有關逆向工程的研究與開發工作也在不少單位內展開，如浙江大學、華中理工大學、西安交通大學、西北工業大學等，并取得一定的成果，如浙江大學推出了Re-Soft軟件系統。 現介紹幾種常用的逆向工具。

　　Imageware Software——自由曲面的最佳軟件

　　Imageware Surfacer主要有四個方面的功能：

　　(1)掃描點的分析及處理——可接收來自不同來源的數據，如CMM、Laser sensors、 Moire sensors、Ultrasound等。

　　(2)曲面模型構造——、把掃描點變換成NURBS曲面模型。

　　(3)曲面模型精度、品質分析。

　　(4)曲面修改――曲線和曲面可實時交互形狀修改。

　　該軟件廣泛應用于汽車工業、航空工業、制鞋工業和電子產品等領域。

　　DelCAM CopyCAD

　　(1)數字化點的輸入與處理，包括數據輸入與數字化點數據的變換與處理。

　　(2)三角形劃分，可以根據用戶定義的允差三角化數字化模型。

　　(3)特征曲線的生成，以交互手動或自動的方式從三角形模型中提取特征線，或直接從外部輸入特征線。

　　(4)利用特征線構成的網格構造曲面片，然后通過指定曲面片之間的連續性要求，來實現曲面片之間的光滑拼接。

　　(5)曲面模型精度、品質分析。

　　PTC Pro/Engineering Pro/SCAN和Unigraphics PointCloud

　　PTC公司的Pro/Engineering中的Pro/SCAN只能處理掃描數據輸入，通過點過濾和線過濾技術將模型的數據量減少，最終通過線來建立曲面。而Unigraphics中的PointCloud模塊則對具有單值特征的曲面直接擬合成曲面。

　　對于逆向工程的專業用戶，推薦使用Imageware或CopyCAD系統。

　　選擇性能強勁的工作站

　　上文提到，非接觸測量獲得的海量數據的數據量非常龐大，常有幾十萬、上百萬，這些數據點組成的點云需要經過數據接收、降噪過濾、曲面擬和、曲面修正、形成三維模型等若干個處理步驟，才能得到符合要求的模型數據。這一過程對計算機性能的要求是非常全面的，一方面，上百萬的三維空間測點數據需要處理運算，對系統的計算能力和內存帶寬是嚴峻的考驗，一方面，三維曲面的編輯和三維模型的形成對圖形系統提出了較高的要求。同時，逆向過程，特別是數據采集過程是個連續的工作過程，不允許中斷，因此對計算機系統在高負荷工作狀況下的穩定性也提出了要求。高運算性能、高圖形處理能力和高穩定性，正好是圖形工作站的特點，無怪乎測量設備和軟件商均推薦用戶使用工作站作為數據采集和處理的核心硬件平臺。

　　以美國HYTEC公司的FlashCT三維快速工業CT系統為例，作為全球最早采用數字面板探測器開發工業CT的制造商，為了滿足海量數據的采集、處理和可視化、分析功能，HYTEC在其處理系統中推薦用戶采用多CPU工作站，在其可視化模塊推薦用戶采用符合工業標準的OpenGL專業圖卡。

　　筆者在實際工作中也使用圖形工作站，以保證工作能一次順利完成。在處理海量數據時，我推薦用戶采用IBM公司的IntelliStation M Pro系列工作站，一方面，筆者比較信任IBM公司計算機設備的品質，一方面，IntelliStation M Pro系列工作站的口碑和實際性能也非常好。

　　最近，筆者在完成某摩托車改型逆向數據采集工作時，使用了一臺IBM公司的IntelliStation M Pro 6218工作站，其處理器采用高主頻的Intel Pentium 4 670(3.8GHz)，內存配置到1GB，顯卡采用了ATI FIREGL V3100，硬盤適用SATA 160GB。筆者采用德國GOM公司的ATOS光學掃描儀(Atos I)進行數據采集，在測量精度0.1mm/m下，獲得781萬個測點數據。如此數量的數據在IntelliStation M Pro 6218上實現了同步成形，雖然稍有停頓，但能保證一邊掃描，一邊點云成形。掃描完畢后，進行點過濾和網格化的過程非常順利，較大的內存和高主頻的處理器顯示了威力。在形成網格曲面的過程中，面對高精度的線框三維模型，ATI FIREGL V3100稍顯吃力，幸好IntelliStation M Pro 6218的顯卡可以升級到性能更強的V7100。使用V7100后，線框模型的顯示和操作順利多了，后期相對簡單的實體模型則更不在話下。

　　在1個多小時的運行過程中，平均系統資源占用率都在85%以上，在點云采集和處理過程中，CPU占用率長時間在90%—100%之間擺動，峰值狀態物理內存耗盡，暫存盤空間使用了720Mb。即使如此，系統仍然穩定如初。筆者使用的另一臺配置較高的DIY工作站(3.2GHz處理器，1GB內存，NV Quadro 500顯卡)從未經受過如此考驗，但根據以往經驗，測點數量超過450萬后，系統就容易宕機。雖然配置相近，但是穩定性還是與IntelliStation M Pro 6218有較大差距。

　　在IBM工作站的官方網站上，筆者發現，IntelliStation M Pro全系列工作站已經得到了Imageware和DELCAM CopyCAD等大多數逆向工程軟件廠商的認證，可以穩定運行這些逆向軟件。

　　由此可見，在逆向過程中，用戶應該盡量選擇品牌知名度高、性能強大、品質穩定、經過認證的工作站產品，IntelliStation M Pro系列是不錯的選擇。但是，用戶也需要根據系統需求，靈活搭配，以夠用、好用為依據，不必一味追求計算機系統的高性能。