逆向工程技术的研究与工程应用

摘 要：分析了逆向工程技术的理论，工程流程和工程过程，以及逆向工程的结构；探讨和研究了逆向工程的数据测量，数据处理和曲面建模3个主要模块，并研究了逆向工程在内燃机气道方面的应用。

关键词：逆向工程；数据测量；曲面建模；气道快速成型

中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2011）09-0003-03

1 逆向工程

1.1 逆向工程定义

逆向工程，又称为反求工程，或者称为反向工程，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。

简而言之，逆向工程，与顺向工程相反，就是在没有任何实物图纸的参考下，对实际物体模型进行信息收集，通过对收集的信息进行处理，并采用CAD/CAM来模拟实际的一个由实物到模型的过程，顺向工程和逆向工程的工程流程图如1所示。

图1 顺向工程和逆向工程流程图

1.2 逆向工程结构

逆向工程由3大模块组成：数据测量，数据处理和曲面建模，3大模块构成逆向工程的整个过程，如图2所示。其中，数据测量的方法分为接触测量方法和非接触式测量方法，其中接触式测量又分为触发式和连续式。非接触式测量方法分为光学式测量和非光学式测量方法。其中，光学式测量方法包括三角形法，结构光法，计算机视觉法和激光干涉法。数据处理：处理所获得三维数据，使其符合后续操作的要求。其中，数据处理的工作主要分为：数据预处理，数据分块，数据光顺和数据优化等4个方面。曲面建模是整个逆向工程过程中最复杂的处理环节，目前比较常用的重建模型方法有曲线拟合造型方法，曲面片直接

拟合造型方法和点数据网格化网络化实体模型造型方法。其中，在逆向工程3个组成部分中，数据处理是尤其关键的过程。重点表现为：智能提取曲面特征的特征点线面，和对散乱数据点的曲面重新构造和曲面光顺处理，这两点的处理，也是各种逆向工程软件重点解决的问题。

2 数据测量

数据测量的方法分为接触测量方法和非接触式测量方法。接触式测量又分为触发数据测量（采集）式和连续式数据测量（采集）。

触发式数据采集是适当控制采样头的探针与样品表面之间的距离，并缓慢移动探头，随着探头的移动，探头就会采集样品的坐标数据。连续式数据采集是使用模拟量的采样探头，当探头与样品之间的移动，探头的移动会产生坐标偏移的电模转换的电信号。接触式的数据采集设备中比较常用的是三坐标测量仪，尤其是机械式的三坐标测量仪，其优点是采取的数据精度高，误差只在0。5微米；缺点是由于需要人工的数据采集，所以不适合大块的，大型的物体的数据采集。

非触发式测量方法是利用光学，声学，磁学的相关原理，将物理模拟量转化成样品表面的坐标数据。常用的数据测量设备有光学数据测量机和激光数据测量机，另外还

有一些声学和磁学方面的数据测量机。

数据测量的方法很多，但每种测量方法都有各自的优点和劣势，如表1所示，所以在选择数据测量方法和设备时，就考虑以下几个因素：①需要采取数据的样品的尺寸；②对产品所需求的数据的精确性和全面性；③所需要的数据密度，或者图像坐标的密度；④样品的表面相关特性；⑤测量物品所需要的时间等。

3 数据处理

3.1 海量散乱点数据点处理

光学数据采集设备为后期数据处理提供了海量数据，但是在处理上造成了一个数据处理效率的难题。为了解决这一难题，提出了海量散乱点数据处理。其主要是完成对海量散乱点数据的处理效率，做到精简和精度提取。比较典型的算法有：基于激光-机器视觉的曲面散乱点群构造曲面几何模型的算法，以及散乱点三角Bezier曲面插值理论，还有浙江大学研究的RE-SOFT等。

3.2 数据处理的大概过程

通过数据采集设备采集的原始数据中每个元数据都是三维的坐标值，而且点与点之间是没有任何关联的，所以需要处理，以便于后期的数据处理和要求。同时，采集的数据大部分不能达到计算机所要求的数据标准。因此要对数据进行一个过程化的处理，其过程主要分为以下几个步骤：①对采集的数据进行预处理：预处理包括对数据的过滤，去噪，编辑等处理，以满足后期数据处理的要求；②网络模型生成：就是利用网络模型生成软件，将数据测量所采集的数据拟和成曲面，并要达到交互处理的能力；③再对网络模型生成后的数据进行简化和一定的修补；④输出STL文件。其文件格式标准有二进制的格式和ASCII码文件格式；⑤输出的文件采用其他类型的文件格式输出到软件或者硬件系统。

3.3 数据处理过程中需要注意的问题

在数据预处理中，对数据进行过滤处理时，要对数据中的噪音进行去除，过滤器的滤波可以是线形的，或者是动态的，以及阀值等。

结构化处理：对于具有非结构的，非扫描线的数据要进行结构化处理，即对点数据之间建立关联。

对数据进行压缩处理：由于在数据测量阶段，所采集的数据是海量的，数据点多则可以达几百万个，所以要进行数据压缩的处理，这对于数据的后期处理和处理效率来说，也是很有必要的。同时，这表明在曲面变化不大的地方数据压缩的比例比较大，如平面区域的数据可能会丢失都较多，曲面变化大的地方数据压缩小，数据丢失也比较少。

数据测量物品的相关特性识别。就是对物品表面所采取的数据的每个元数据进行物性标识，或者对一系列的点数据进行标识，该标识以表示其属于物品的某个部位，如物品的平面，柱体等。

数据处理采用的处理技术依赖于数据分布和后期处理所提出的要求，因此，数据处理在数据采集和模型生成之间起到了重要的连接作用，或者称为接口。许多的商业化软件也采用了接口的形式来实际数据处理的重要传递过程。

4 曲面建模

4.1 曲线建模概念

曲面建模技术是体现CAD/CAM软件建模能力的重要标志，大多数实际产品的设计都离不开曲面建模。曲面建模用于构造用标准建模方法无法创建的复杂形状，它既能生成曲面（在UG中称为片体，即零厚度实体），也能生成实体。

曲面建模，一般来讲，首先通过曲线构造方法生成主要或大面积曲面，然后进行曲面的过渡和连接，光顺处理，曲面的编辑等方法完成整体造型。

4.2 曲线建模的一般过程

一般来说，创建曲面都是从曲线开始的。可以通过点创建曲线来创建曲面，也可以通过抽取或使用视图区已有的特征边缘线创建曲面。其一般的创建过程如下所示：①首先创建曲线；②根据创建的曲线，创建产品的主要曲面；③对桥接面等各曲面进行过渡接连和光顺处理。

4.3 曲面的光顺处理

对曲面进行了初步的重构处理后，曲面的光顺度不够，还要进行光顺处理。如果不处理，则曲面的初步重构所完成的产品是不能符合设计要求的。因此，曲面的光顺处理也是整个曲面建模过程中的一个重要环节。其中，曲线光顺是指在曲线上不存在任何拐点和奇点，或者说拐点数和奇点数趋近于零，以及曲线的曲率变化均匀。曲面的光顺是指在曲面上的纵向和横向任何一个方面上的任意一个截面都达到光顺的标准，则视为曲面光顺。

4.4 逆向工程的误差分析

在逆向工程的各个过程，各个处理阶段，如数据测量（采集），数据数理，曲面建模，都不可避免地会出现一定的数据误差。对于逆向工程中的误差，可以将重构，计算，测量，模拟制造和磨损上的误差分别设为S，T，P，Q和H，因而可以得到整个逆向过程中重构的误差：

S=（T+P+Q+H），重构误差一般取S的平方均值：S=T2+P2+Q2+H2

5 逆向工程技术的工程应用

逆向工程技术的工程应用为内燃机所道模型的逆向工程，下面将分为以下几个方面进行介绍和分析：气道，气道CAD和气道模型的反求。

5.1 气道

内燃机的气道分为切向气道和螺旋气道等类型。其中螺旋气道在小型的柴油机中比较常用。气道的不断修理与设计改善一般只是修理和设计经验，或者与实验相关的参考数据，同时，具有气道的管道的横截面呈线性减少延伸等若干要求。

在实验数据当中，对内燃机气道的评价，主要还是依据稳流实验，其参考的性能指标主要为流量系数和涡流比。经过实验证明，流量系数和涡流比之间有着密切的关系，即当流量呈递增趋势时，那么内燃机内部燃烧室的涡流也就愈强烈，同时，最终在实验中测得的流量系数也会逐渐随着流量和涡流的增大而增大。

5.2 气道CAD

气道CAD一般以横截面曲线序列和流动空气的理论流线的两个理论原理为基础。所道的曲面设计所采用的数学方法一般有COONS和FERGUSON等曲面方法。根据气道模型，比较常用的方法是用FERGUSON曲面方法。其具体的内燃机气道CAD系统如图3所示：

5.3 气道模型的反求

在气道模型反求的过程中，整个过程分为气道模型的

测量，气道模型数据的处理，所道模型曲面的重构和所道

模型的快速成型：①气道模型的测量：根据文章前面对数据测量的各种测量技术的分析和比较，在气道模型的测量中，本文采用了非接触式的光学测量机，也可以采用光学的激光测量机。对于其他各个细节的部位，可以采用其他测量技术进行弥补，尽量将数据采集的误差降到一个适合后期数据处理的要求的值；②气道模型数据的处理以及曲面重构：对于海量数据的处理，本文采用了文章前面所提到的数据处理过程，方法和软件，将气道从正向和反向上的设计相结合，从而最终形成一个比较完善的气道模型；③气道的快速成型：快速成型的方法和技术有许多，比如叠层实体制造工艺，熔丝沉积成型法等。不同的方法和技术有不同的特点和优点。本文采用的快速成型的技术和方法是叠层实体制造工艺和熔丝沉积成型法两种。其过程一般可以描述为：CAD三维模型构造"STL文件"划分层次（即所谓的分层）为其增加必要的支撑采用熔丝沉积成型法的系统模型成型。

6 结束语

逆向工程利用传统的顺向工程的反向思维方法，采用了从实物到模型的过程。其对于现实生活和工作中的工业品的复制起到了重要作用，特别是对于一些结构复杂的物品，如果采用传统的顺向制造方法，则实现起来比较困难，逆向工程在计算机辅助制造方面起到了关键作用，提升了机械制造等企业的开发、设计和生产能力。

参考文献：

［1］ 周儒荣.逆向工程与快速原型制造［J］.计算机辅助设计与制造，2001（10）.

［2］ 胡国军，钱荣芳.基于实物原型的逆向工程技术应用研究［J］.机械设计与制造，2004(2).

［3］ 黄小平，杜晓明.逆向工程中的建模技术［J］.中国机械工程，2001(5).

［4］ 袁平.逆向工程技术的研究与应用［D］.昆明：昆明理工大学，2002.

［5］ 刘浩，程培元，杜华平.逆向工程设计［J］.汽车科技，2002(6).

（责任编辑：王 钊）

Research and Engineering Application of Reverse Engineering Technology

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Abstract:This paper analyzes the theory of reverse engineering technology, engineering process reverse engineering structure. Discussion and research on the reverse engineering data measurement, data processing and surface modeling three main modules, and the applications of reverse engineering in the internal combustion engine airway.

Key Words: Reverse Engineering; Data Measurement; Surface Modeling; Airway Rapid Prototyping

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