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逆向工程技术及其发展探究 于 涛 摘要：随着逆向工程技术的不断发展，其宽广的应用前景已受到工程技术人员的广泛关注。本文阐述了逆向工程的基本概念、数据测量、数据处理、模型重建等逆向工程中的关键技术，并对逆向工程的发展前景进行了展望。 关键词：逆向工程；数据测量；数据处理；模型重建；逆向软件 1 引言 逆向工程（ReverseEngineering，RE）产生于20世纪80年代末至90年代初，广泛应用于精密测量和质量检验领域，是设计下游向设计上游反馈信息的回路。目前，大多数关于逆向工程的研究主要集中在实物几何形状的逆向重构上，即产品实物的CAD模型重构和最终产品的制造，称为“实物逆向工程”（简称逆向工程）。 逆向工程，也称反向工程、反求工程，它是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。 逆向工程包括快速反求、快速成型、快速模具以及数控加工等多个环节。其中快速反求是从实物原型到三维数字模型的转换，是反求工程技术实现的关键技术，它包括数据测量、数据处理、三维重建和模型评价四部分。 2 数据测量技术 逆向工程数据测量，又称产品表面数字化，是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据。该技术关系到对物体描述的精确度和完整度，从而影响重构的CAD曲面和实体模型的质量，并最终决定加工出来的产品能否真实反映原始实物。因此，数据测量是整个逆向工程的基础。 现有的数据测量方法分为两大类： （1）接触式测量方法 接触式测量方法是通过传感测量头与物体的接触而记录物体表面的坐标位置。通常使用三坐标测量机进行测量，测量时可根据实物的特征和测量的要求选择测头及其方向，确定测量点数及其分布，然后确定测量的路径。触发式数据采集方法采用触发探头，当测头的探针接触到产品的表面时，由于探针受理变形触发采样开关，通过数据采集系统记下探针的当前坐标值，逐点移动探针就可以获得产品的表面轮廓的坐标数据。 （2）非接触式测量方法 非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等进行数据的采集，将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。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。这种方法的一个应用是三维扫描技术，它是一种立体测量技术。与传统的技术相比，能够完成复杂形体的点、面、形的三维测量，能进行高精度的快速无接触测量。 目前，采用基于视觉传感器的非接触式测量技术的数量在增加，因为这种技术在提高测量速度方面具有优势，而且计算与软件技术的发展，使得大量的数据能在若干秒钟内采集到并进行处理、而不是接触式方法那样需要花费若干分钟，甚至若干小时。然而，在视觉传感器的非接触测量中，周围光照效应与表面反射率会导致发生问题；还有，在垂直面上进行扫描会有困难，并且需要复杂的编程。表1给出了激光扫描测量和机械接触测量技术特点的比较。 表1激光扫描测量和机械接触测量技术特点比较 激光扫描测量 机械接触测量 测量方式 非接触式 接触式 测量精度 10～100μm 1μm 传感器 光电接收器件 开关器件 测量速度 1000～12000点/s 人工控制（较慢） 前期处理 需喷漆，无基准点 设定坐标系，校正基准面 工件材质 无限定 硬质材质 测量死角 光学阴影处及光学焦距变化处 工件内部不易测量 误差 随曲面变化大 部分失真 优点 测量速度快，曲面数据易获取 不需要进行侧头半径补偿 可测量柔软、易碎、不可接触、皮毛等物体 无接触力，不会损伤精密表面 精度较高 可直接测量工作的特定几何特征 缺点 测量精度较差，无法判定特定的几何特征 陡峭面不易测量，激光无法照射到的地方无法测量 物体表面的明暗程度影响测量精度 需逐点测量，速度慢 测量前后需做半径补偿 接触力大小会影响测量值 倾斜面测量时，不易补偿半径，精度难保证 测量物体内部时，形状尺寸会影响测量值 3 数据处理技术 由于测量设备的缺陷、测量方法和被测物体表面特征的影响，通过测量所得的数据不可避免地引入了误差，尤其是尖锐边和边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能是该点及其周围的曲面片偏离原曲面，所以要对原始点云数据进行预处理。预处理的主要工作包括：异常点（误差点）处理、数据插补、数据平滑、数据精简、数据分割、多视数据对齐定位等。 3.1异常点（误差点）处理 无论何种数据采集方式，获得的数据中均存在一定的异常点或误差点，统称为噪声点，通常是由于测量设备的标定参数或测量环境发生变化所造成。常用的检查方法是将点云显示在图形终端上，或者生成曲线采用半交互半自动的光顺方法对点云数据进行检查调整，但对于数量较大的点云并不适宜。此外，去除噪声点的