逆向工程學(xué)(Reverse Engineering, RE) 是指從實(shí)物上采集大量的三維坐標(biāo)點(diǎn)，并由此建立該物體的幾何模型，進(jìn)而開發(fā)出同類產(chǎn)品的先進(jìn)技術(shù)。逆向工程與一般的設(shè)計(jì)制造過程相反，是先有實(shí)物后有模型。仿形加工就是一種典型的逆向工程應(yīng)用。該項(xiàng)項(xiàng)技術(shù)與快速成型技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速三維拷貝，并經(jīng)過CAD重新建模修改或快速成型工藝參數(shù)的調(diào)整，還可以實(shí)現(xiàn)零件或模型的變異復(fù)原。

逆向工程學(xué) - 簡(jiǎn)介

逆向工程學(xué)(Reverse Engineering,RE)是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的一種描述，是一門新興的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，也稱為反求工程，是一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合。

廣義上的逆向工程基本上包括形狀(幾何)反求、工藝反求和材料反求等諸多方面，是一個(gè)集合多種先進(jìn)技術(shù)的復(fù)雜的系統(tǒng)工程。1980年后，很多關(guān)于逆向工程的研究都集中在形態(tài)的反求方面，即根據(jù)現(xiàn)有的物理原型，利用3D數(shù)字化測(cè)量設(shè)備，準(zhǔn)確快速地獲得實(shí)物原型的三維空間數(shù)據(jù)(點(diǎn)云)，經(jīng)過優(yōu)化點(diǎn)云、曲面構(gòu)建、修改編輯，建立精確的可用于生產(chǎn)的CAD模型，然后按照傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造流程生產(chǎn)出原型或產(chǎn)品，也可以利用快速成型技術(shù)，快速制作出精確的產(chǎn)品樣件或原型。

在工程技術(shù)人員的一般概念中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程是一個(gè)從無到有的過程，即設(shè)計(jì)人員首先在大腦中構(gòu)思產(chǎn)品的外形、性能和大致的技術(shù)參數(shù)等，然后通過繪制圖紙建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將這個(gè)模型轉(zhuǎn)入到制造流程中，完成產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)制造周期。這樣的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程我們稱為“正向設(shè)計(jì)”過程。逆向工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以認(rèn)為是一個(gè)“從有到無”的過程。簡(jiǎn)單地說，逆向工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(包括設(shè)計(jì)圖紙或數(shù)字模型)的過程。逆向工程技術(shù)不是傳統(tǒng)意義上的“仿制”，而是綜合應(yīng)用現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)的理論方法、生產(chǎn)工程學(xué)、材料工程學(xué)和有關(guān)專業(yè)知識(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)得地分析研究，進(jìn)而快速開發(fā)制造出高附加值、高技術(shù)水平的新產(chǎn)品。

逆向工程學(xué)應(yīng)用歷史久遠(yuǎn)，早期的船舶工業(yè)中常用的船體放樣設(shè)計(jì)就是逆向工程的很好實(shí)例。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，基于測(cè)量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術(shù)成為逆向工程技術(shù)關(guān)注的主要對(duì)象。通過數(shù)字化測(cè)量設(shè)備(如坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光測(cè)量設(shè)備等)獲取的物體表面的空間數(shù)據(jù)，需要利用逆向工程技術(shù)建立產(chǎn)品的三維模型，進(jìn)而利用CAM系統(tǒng)完成產(chǎn)品的制造。因此，逆向工程技術(shù)可以認(rèn)為是將產(chǎn)品樣件轉(zhuǎn)化為三維模型的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)和幾何建模技術(shù)的總稱。逆向工程的實(shí)施過程是多領(lǐng)域、多學(xué)科的協(xié)同過程。逆向工程的整個(gè)實(shí)施過程包括了從測(cè)量數(shù)據(jù)采集、處理到常規(guī)CAD/CAM系統(tǒng)，最終與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(PDM系統(tǒng))融合的過程。工程的實(shí)施需要人員和技術(shù)的高度協(xié)同、融合。

逆向工程學(xué) - 研究進(jìn)展

1980年開始，歐美國家許多學(xué)校及工業(yè)界開始注意逆向工程領(lǐng)域。

1990年初期，各國學(xué)術(shù)界團(tuán)隊(duì)大量投入逆向工程的研究并發(fā)表成果。

逆向軟件的演進(jìn)約略可區(qū)分為三個(gè)階段：2000年前，在逆向工程上，只能運(yùn)用CATIA等CAD/CAM高階曲面系統(tǒng)。市場(chǎng)后來發(fā)展出兩套主流產(chǎn)品約在2003年前技術(shù)成熟，廣為業(yè)界引用。到2007年后，發(fā)展出不同以往的逆向工程數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算，速度快。

1998年，NEWPOWER啟動(dòng)了逆向工程的一些項(xiàng)目，要求是把客戶的現(xiàn)有源代碼轉(zhuǎn)變成設(shè)計(jì)， 如果需要的話，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品需求規(guī)約。這恰恰與類似于V模型的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)過程模型相逆。這樣一來，客戶就可以容易地維護(hù)他們的產(chǎn)品(需求，設(shè)計(jì)，源代碼等等)，而不需要想以前那樣，每次改動(dòng)產(chǎn)品都需要直接修改源代碼。

截止2011年，逆向工程的應(yīng)用已從單純的技巧性手工操作，發(fā)展到采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)及測(cè)量設(shè)備，進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、制造等活動(dòng)，如獲取修模后的模具形狀、分析實(shí)物模型、基于現(xiàn)有產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、快速仿形制造等。

逆向工程學(xué) - 作用特點(diǎn)

逆向工程被廣泛地應(yīng)用到新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品改型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品仿制、質(zhì)量分析檢測(cè)等領(lǐng)域，它的特點(diǎn)是：

1、縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)周期，加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度;

2、降低企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的成本與風(fēng)險(xiǎn);

3、加快產(chǎn)品的造型和系列化的設(shè)計(jì);

4、適合單件、小批量的零件制造，特別是模具的制造，可分為直接制模與間接制模法。直接制模法：基于RP技術(shù)的快速直接制模法是將模具CAD的結(jié)果由RP系統(tǒng)直接制造成型。該法既不需用RP系統(tǒng)制作樣件，也不依賴傳統(tǒng)的模具制造工藝，對(duì)金屬模具制造而言尤為快捷，是一種極具開發(fā)前景的制模方法;間接制模法：間接制模法是利用RP技術(shù)制造產(chǎn)品零件原型，以原型作為母模、模芯或制模工具(研磨模)，再與傳統(tǒng)的制模工藝相結(jié)合，制造出所需模具。

逆向工程學(xué) - 理論依據(jù)

逆向工程在CAD/CAM系統(tǒng)中的作用

逆向工程技術(shù)不是一個(gè)孤立的技術(shù)，它和測(cè)量技術(shù)及現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)有著千絲萬縷的聯(lián)系。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于大多數(shù)工程技術(shù)人員對(duì)逆向工程技術(shù)不夠了解，將逆向工程技術(shù)與現(xiàn)有CAD/CAM技術(shù)等同起來，用現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)的技術(shù)水平要求逆向工程技術(shù)，往往造成人們對(duì)逆向工程技術(shù)的不信任和誤解。

從理論角度分析，逆向工程技術(shù)能夠按照產(chǎn)品的測(cè)量數(shù)據(jù)重建出與現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)完全兼容的三維模型，這是逆向工程技術(shù)的最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。但是，人們所掌握的技術(shù)，包括工程上的和純理論上的(如曲面建模理論)，都還無法滿足這種要求。特別是針對(duì)大規(guī)模“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)建模，更是遠(yuǎn)未達(dá)到可以直接在CAD系統(tǒng)中應(yīng)用的程度。因此，逆向工程CAD技術(shù)與現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)的關(guān)系只能是一種相輔相成的關(guān)系?，F(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無論從理論還是實(shí)際應(yīng)用上都已經(jīng)十分成熟，在這種狀況下，現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)不會(huì)也不可能為了滿足逆向工程建模的特殊要求變更系統(tǒng)底層。另一方面，逆向工程技術(shù)中用到的大量建模方法完全可以借鑒現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)，不需要另外搭建新平臺(tái)?；谶@種分析，我們認(rèn)為逆向工程技術(shù)在整個(gè)制造體系鏈中處于從屬、輔助建模的地位，逆向工程技術(shù)可以利用現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)，幫助其實(shí)現(xiàn)自身無法完成的工作。逆向工程技術(shù)(包括相應(yīng)的軟件)始終不是市場(chǎng)上的主流，而大多數(shù)CAD/CAM系統(tǒng)又均包含逆向工程模塊或第三方軟件包。

逆向工程學(xué) - 主要部件

硬件

逆向工程的硬件最早是運(yùn)用仿制加工設(shè)備，制作出來的成品品質(zhì)粗糙。后來有接觸式掃瞄設(shè)備，運(yùn)用探針接觸工件取得產(chǎn)品外型。再來進(jìn)一步開發(fā)非接觸式設(shè)備，運(yùn)用照相或激光技術(shù)，計(jì)算光線反射回來的時(shí)間取得距離。

軟件

逆向工程的實(shí)施需要逆向工程軟件的支撐。逆向工程軟件的主要作用是接收來自測(cè)量設(shè)備的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，通過一系列的編輯操作，得到品質(zhì)優(yōu)良的曲線或曲面模型，并通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式將這些曲線曲面數(shù)據(jù)輸送到現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)中，在這些系統(tǒng)中完成最終的產(chǎn)品造型。

由于無法完全滿足用戶對(duì)產(chǎn)品造型的需求，因此逆向工程CAD軟件很難與現(xiàn)有主流CAD/CAM系統(tǒng)，如CATIA、UG、Pro/ENGINEER和SolidWorks等抗衡。很多逆向工程軟件成為這些CAD/CAM系統(tǒng)的第三方軟件。如UG采用ImageWare作為UG系列產(chǎn)品中完成逆向工程造型的軟件，Pro/ENGINEER采用ICEM Surf作為逆向工程模塊的支撐軟件。此外還有一些獨(dú)立的逆向工程軟件，如GeoMagic等，這些軟件一般具有多元化的功能。例如，GeoMagic除了處理幾何曲面造型以外，還可以處理以CT、MRI數(shù)據(jù)為代表的斷層界面數(shù)據(jù)造型，從而使軟件在醫(yī)療成像領(lǐng)域具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。另外一些逆向工程軟件作為整體系列軟件產(chǎn)品中的一部分，無論數(shù)據(jù)模型還是幾何引擎均與系列產(chǎn)品中的其他組件保持一致，這樣做的好處是逆向工程軟件產(chǎn)生的模型可以直接進(jìn)入CAD或CAM模塊中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫集成，這類軟件的代表是DELCAM公司的CopyCAD。

1、GeoMagic

美國RainDrop公司的逆向工程軟件，具有豐富的數(shù)據(jù)處理手段，可以根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)快速構(gòu)造出多張連續(xù)的曲面模型。軟件的應(yīng)用領(lǐng)域包括了從工業(yè)設(shè)計(jì)到醫(yī)療仿真等諸多方面，用戶包括通用汽車、BMW等大制造商。

2、ImageWare

作為UG NX中提供的逆向工程造型軟件，ImageWare具有強(qiáng)大的測(cè)量數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測(cè)功能?？梢蕴幚韼兹f至幾百萬的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的A級(jí)曲面(CLASS A)具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。ImageWare的模型檢測(cè)功能可以方便、直觀地顯示所構(gòu)造的曲面模型與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)之間的誤差以及平面度、真圓度等幾何公差。

3、CopyCAD

是英國DELCAM公司系列CAD產(chǎn)品中的一個(gè)，主要處理測(cè)量數(shù)據(jù)的曲面造型。DELCAM的產(chǎn)品涵蓋了從設(shè)計(jì)到制造、檢測(cè)的全過程。包括PowerSHAPE、PowerMILL、PowerINSPECT、ArtCAM、CopyCAD、PS-TEAM等諸多軟件產(chǎn)品。作為系列產(chǎn)品的一部分，CopyCAD與系列中的其他軟件可以很好地集成。

4、RapidForm

是由韓國INUS公司開發(fā)的逆向工程軟件。主要用于處理測(cè)量、掃描數(shù)據(jù)的曲面建模以及基于CT數(shù)據(jù)的醫(yī)療圖像建模，還可以完成藝術(shù)品的測(cè)量建模以及高級(jí)圖形生成。RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、曲面檢測(cè)的工具，用戶可以方便的利用以前構(gòu)造的曲線網(wǎng)格經(jīng)過縮放處理后應(yīng)用到新的模型重構(gòu)過程中。

5、中國逆向工程軟件

在中國能夠見到的商品化的逆向工程軟件均是國外的。中國在逆向工程軟件方面雖然也有研究，但是主要集中在幾所高校。其中以清華大學(xué)、浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)在這方面的研究比較深入，這些研究成果也有一些以軟件產(chǎn)品形式出現(xiàn)，由于系統(tǒng)穩(wěn)定性、可操作性等方面的原因，這些研究性軟件還沒有完全具備與國外商業(yè)化軟件競(jìng)爭(zhēng)的條件。由中國逆向工程領(lǐng)域?qū)I(yè)人士參與開發(fā)的逆向工程軟件QuickForm 是國內(nèi)逆向工程軟件中較好的一個(gè)。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的幾何引擎，運(yùn)行穩(wěn)定性好，具有良好的可操作性。由于開發(fā)人員具有豐富的逆向工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，因此系統(tǒng)中的功能設(shè)置、操作方式符合國內(nèi)用戶的習(xí)慣，這是國外軟件所無法具備的。QuickForm的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是價(jià)格優(yōu)勢(shì)，QuickForm的價(jià)格在同類軟件中具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，使用國產(chǎn)軟件也是對(duì)國內(nèi)制造業(yè)和軟件行業(yè)的支持。

逆向工程學(xué) - 實(shí)現(xiàn)方法

在逆向工程中，準(zhǔn)確、快速和全面獲取實(shí)物原型的三維數(shù)據(jù)是關(guān)鍵的一步。數(shù)據(jù)的好壞直接影響到逆向工程后期的成敗。數(shù)據(jù)的采集是指采用某種測(cè)量方法和設(shè)備測(cè)出實(shí)物表面的若干組點(diǎn)的幾何坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)的方法有多種。按照與被測(cè)實(shí)體對(duì)象表面是否接觸，可以分為2類：

接觸式測(cè)量

傳統(tǒng)的方式是以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為代表的接觸式，精度相對(duì)精確，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到機(jī)械制造、電子、汽車和航空航天等領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)，除不適用軟物體之外，對(duì)所測(cè)物體的材質(zhì)和表面色澤無特殊要求;精度高，可與數(shù)控機(jī)床或加工中心配套使用，建立柔性制造系統(tǒng)。缺點(diǎn)是易于損傷測(cè)頭和劃傷對(duì)測(cè)零件的表面，同時(shí)價(jià)格昂貴，速度較慢，對(duì)環(huán)境要求高。

非接觸式測(cè)量

非接觸式主要是利用某種與物體表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象來獲取實(shí)體的三維信息。利用光學(xué)原理發(fā)展起來的現(xiàn)代三維形狀測(cè)量方法應(yīng)用最為廣泛，如激光線結(jié)構(gòu)光掃描、投影光柵法、數(shù)字照相系統(tǒng)等方法。以及新出現(xiàn)的切層法、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)法，這2種方法可以對(duì)孔及內(nèi)部空腔的實(shí)體進(jìn)行測(cè)量。非接觸式測(cè)量由于受到測(cè)量介質(zhì)和控制的影響，測(cè)量精度沒有接觸式高，但具有測(cè)量速度快以及不用和實(shí)物接觸等優(yōu)點(diǎn)，在一些領(lǐng)域越來越受到重視。

逆向工程學(xué) - 應(yīng)用范圍

逆向工程的應(yīng)用領(lǐng)域主要是飛機(jī)、汽車、玩具和家電等模具相關(guān)行業(yè)。隨著生物、材料技術(shù)的發(fā)展，逆向工程技術(shù)也開始應(yīng)用在人工生物骨骼等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。但是其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域還是在模具行業(yè)。由于模具制造過程中經(jīng)常需要反復(fù)試沖和修改模具型面。若測(cè)量最終符合要求的模具并反求出其數(shù)字化模型，在重復(fù)制造該模具時(shí)就可運(yùn)用這一備用數(shù)字模型生成加工程序，可以大大提高模具生產(chǎn)效率，降低模具制造成本。

1、模具樣品開發(fā)：汽機(jī)車類、家電制品、運(yùn)動(dòng)器材 、玩具、陶瓷等。

2、快速原型制作：古董、人像、藝術(shù)品、卡通人物、玩具等。

3、人體形狀測(cè)量：人體外形測(cè)量、醫(yī)療器材制作等。

4、造型設(shè)計(jì)：立體動(dòng)畫、多媒體虛擬實(shí)景、廣告動(dòng)畫等。