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摘 要：本文通过对逆向工程技术的简述及对逆向工程的几个步骤，如数据测量、数据处理、模型重建的论述，介绍逆向工程技术在数控教学中的应用。
关键词：逆向工程 点云 数字化测量 数据处理
随着我国数控模具技术的高速发展，CAD技术已成为产品设计人员进行研究开发的重要工具。广泛应用逆向工程技术，不但对数控专业的培养模式，而且对其的产业、产品结构以及其生产的方式产生很大的影响。笔者在调研了相当多的职业院校和数控企业的数控专业职业教育现状后发现逆向工程人才越来越欠缺。如何培养逆向技术人员，成为技工院校的一个新课题。
一、逆向技术概述
逆向技术也称反向技术，主要是指根据已经存在的零件实体生成电子模型图，并在此基础上对其进行优化处理，也称之为再设计。和正常的传统设计有一定的区别，逆向设计是对已经存在的产品进行复原的过程。简单地说，逆向工程就是根据过去已存在的产品复原出其数据。
二、数字化测量设备
技校开展逆向工程技术教学起码需要自身或校企合作拥有以下技术及设备：数据测量技术及光学扫描系统。
数据测量是指通过特定的测量设备和测量方法获取产品表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何外形数字化的技术。
由于光学扫描系统价格比较昂贵，一般的院校可通过校企合作的模式开设数字化测量这门课程。除此之外，可以联系相关工厂、企业，得到一些有用的产品数据。数据通信一般是通过数据交换标准来实现的。这些数据类型很多，主要是STEP、IGES等等。
三、逆向工程数据处理技术
在逆向工程中，对数据的处理是一项非常重要的技术，其结果决定了电子图重建是否能进行，能否方便、正确地进行。
在逆向工程中还有一项比较重要的技术就是对数据的平滑处理，因为在对产品进行测量的时候有噪音的生成，这种噪音的存在会影响数据处理的精度。目前对数据进行平滑处理的方法有中值滤波、标准高思以及均匀滤波的算法等，因此，在保证一定精度的情况下，平滑过渡时取点可间距大一点，变化大的地方取点要密。
四、逆向模型重建技术
1.曲线拟合造型
用一个多项式的函数通过插值去逼近原始的数据，最后得到足够光滑的曲面。构成曲面的基础是曲线，对于逆向技术，采用这种方法所使用的数学模型是一个多项式函数，主要的做法是通过一些特征值去逼近原始的数据，最后得到的表面就是光滑的。曲线是构成曲面的基础。针对于目前的逆向技术，人们常用的方法就是先用插值或逼近的方法将数据点拟合成光滑的曲线，接着重构造型。
2.拟合造型曲面片
这主要是对大量数据点进行拟合线，进而拟合成曲面层，最后拟合曲面片。曲面模型的生成，主要是对这些现成面线进行过度、过度混合以及连接形成的。这种方法不但可以对那些有规律的点进行处理，而且可以对那些没有规律的点进行处理，主要是用逼近法生成样条曲线，进而生成样条曲面。
3.实体模型——点数据网格化、网络化
这种方法的原理是认为曲面是由许多小三角形组成的。这种小三角形面积越小，曲面的精度就越高，因此，将所能得到的数据点进行无限逼近，并形成无数个三角面片，将这些无限个三角面片组合起来就是产品的实体模型。目前这种方法形成了两种分支，使用这种方法的前提是保证具有给定的数据点和产品的原始外形，并对面片和节点进行反复排除。为寻找具有最小的面片、最小的节点以及最小多面体，新的三角形不停地构建，最终达到指定的节点数。
五、逆向工程在数控教学中的应用举例
1.扫描
首先对主板进行数字性的扫描，因为此主板件是异形的，而且还带有一个自由曲面，因此测量的关键就是测量这个带异形的自由局面。在对组件板进行实际测量时，设备ATOS光学扫描仪是德国GOM公司制造的。为了使产品边界更精确，在测量的时候还要测量主板的两个侧面。
2.重建
此步骤是重建主板件CAD模型图。此步骤的关键在于重构主板的曲面以及找到这个曲面和孔以及周围平面的平整结合方法。首先，要对前面所得到的数据点进行去除杂点、去除噪音、插补数据、数据平滑等处理，将数据归类划分区域，在区域内建立特征曲线、特征曲面以及特征曲面网格，并对此网格进行光滑处理，最后得到拟合的曲面。
制造主板件主要是用拉延模具，设计拉延模具的关键是对拉深颈的设计、压料面的设计、工艺补充面和冲压方向的选择。工艺补充面一般设计在零件的四周，在产品成型以后是要被切除的。它存在的主要作用就是能使材料在成型时具有好的流动性，其好坏对零件的成型起着关键性的作用，改善工艺补充面还可以让材料的受力情况得到改善。在仔细分析了组件板之后得出结论：成型时在两个悬臂后侧的突起以及圆角部分容易出现浇注不满的问题。再分析选择用AUTOFORM软件的情况，如果在对零件设计的时候把圆角加大0.5毫米，可以避免圆角拉裂，在后侧主板间有一个明显的凸起，这个凸起可以通过成型模拟的结果来找到材料的最佳入口。通过对材料的CAE分析，可以找到最合理的拉延筋和工艺补充面的位置，具体设计如下所示。
一是采集数据。扫描测量采用的是PIX-30三坐标测量仪，目的是得到云点数集，首先将桨叶正确地固定在扫描平台上，并调整扫描探头的位置，使得到一个合适的扫描区。扫描区域的合适与否主要以是否获得最大尺寸的桨叶来衡量。然后进行自由测量，自由设置点与点之间的距离以及线线之间的距离，所得数据以STL文件格式保存，以便于后续文件打开。
二是数据处理。这一步对于逆向技术来说是最关键的，对模型重建的质量有很大的影响，这一步的处理结果对后续重建模型的质量有非常大的关联。这次用的重建方法是最简单的。首先找到坏点和噪点，然后手动把它们去除。其次找到几个在曲面上有代表性的点，用一些特征線进行判断，最后在满意后对其进行光滑修正，做好准备曲面重构的基本条件。然后用反求软件打开最初测量的数据，经反求软件处理，得到一些扫描的线，对这些线进行三角化处理，设定好合适的参数，并产生构造线，对分割好的曲面进行拟合。最后将所建立的线框模型以IGES格式输出。
三是三维建模。在三维建模中，我们采用的是Proe或UG软件来实现的，首先将之前生成的框架模型建立成3D曲面，最好利用这个曲面生成实体，完成建模。
六、小结
目前应用逆向工程的领域非常广阔，包括对旧产品的复原、新产品的设计开发、产品的检测等等。逆向工程是具有综合性、实用性、开拓性很强的一门技术。对它的学习和技能的提高，将会使越来越多的技工学生走进工程设计部门，改变了技工学校的学生只能待在一线生产车间的历史。
参考文献：
[1]谭昌柏，周来水，安鲁陵等.逆向工程中基于密集数据点的轮廓线重建技术[J].华南理工大学学报（自然科学版），2005（5）.
[2]严庆光.面向多点成形的逆向工程关键技术及应用研究[D].吉林大学，2005.
（作者单位：茂名技师学院）
关键词：逆向工程 点云 数字化测量 数据处理
随着我国数控模具技术的高速发展，CAD技术已成为产品设计人员进行研究开发的重要工具。广泛应用逆向工程技术，不但对数控专业的培养模式，而且对其的产业、产品结构以及其生产的方式产生很大的影响。笔者在调研了相当多的职业院校和数控企业的数控专业职业教育现状后发现逆向工程人才越来越欠缺。如何培养逆向技术人员，成为技工院校的一个新课题。
一、逆向技术概述
逆向技术也称反向技术，主要是指根据已经存在的零件实体生成电子模型图，并在此基础上对其进行优化处理，也称之为再设计。和正常的传统设计有一定的区别，逆向设计是对已经存在的产品进行复原的过程。简单地说，逆向工程就是根据过去已存在的产品复原出其数据。
二、数字化测量设备
技校开展逆向工程技术教学起码需要自身或校企合作拥有以下技术及设备：数据测量技术及光学扫描系统。
数据测量是指通过特定的测量设备和测量方法获取产品表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何外形数字化的技术。
由于光学扫描系统价格比较昂贵，一般的院校可通过校企合作的模式开设数字化测量这门课程。除此之外，可以联系相关工厂、企业，得到一些有用的产品数据。数据通信一般是通过数据交换标准来实现的。这些数据类型很多，主要是STEP、IGES等等。
三、逆向工程数据处理技术
在逆向工程中，对数据的处理是一项非常重要的技术，其结果决定了电子图重建是否能进行，能否方便、正确地进行。
在逆向工程中还有一项比较重要的技术就是对数据的平滑处理，因为在对产品进行测量的时候有噪音的生成，这种噪音的存在会影响数据处理的精度。目前对数据进行平滑处理的方法有中值滤波、标准高思以及均匀滤波的算法等，因此，在保证一定精度的情况下，平滑过渡时取点可间距大一点，变化大的地方取点要密。
四、逆向模型重建技术
1.曲线拟合造型
用一个多项式的函数通过插值去逼近原始的数据，最后得到足够光滑的曲面。构成曲面的基础是曲线，对于逆向技术，采用这种方法所使用的数学模型是一个多项式函数，主要的做法是通过一些特征值去逼近原始的数据，最后得到的表面就是光滑的。曲线是构成曲面的基础。针对于目前的逆向技术，人们常用的方法就是先用插值或逼近的方法将数据点拟合成光滑的曲线，接着重构造型。
2.拟合造型曲面片
这主要是对大量数据点进行拟合线，进而拟合成曲面层，最后拟合曲面片。曲面模型的生成，主要是对这些现成面线进行过度、过度混合以及连接形成的。这种方法不但可以对那些有规律的点进行处理，而且可以对那些没有规律的点进行处理，主要是用逼近法生成样条曲线，进而生成样条曲面。
3.实体模型——点数据网格化、网络化
这种方法的原理是认为曲面是由许多小三角形组成的。这种小三角形面积越小，曲面的精度就越高，因此，将所能得到的数据点进行无限逼近，并形成无数个三角面片，将这些无限个三角面片组合起来就是产品的实体模型。目前这种方法形成了两种分支，使用这种方法的前提是保证具有给定的数据点和产品的原始外形，并对面片和节点进行反复排除。为寻找具有最小的面片、最小的节点以及最小多面体，新的三角形不停地构建，最终达到指定的节点数。
五、逆向工程在数控教学中的应用举例
1.扫描
首先对主板进行数字性的扫描，因为此主板件是异形的，而且还带有一个自由曲面，因此测量的关键就是测量这个带异形的自由局面。在对组件板进行实际测量时，设备ATOS光学扫描仪是德国GOM公司制造的。为了使产品边界更精确，在测量的时候还要测量主板的两个侧面。
2.重建
此步骤是重建主板件CAD模型图。此步骤的关键在于重构主板的曲面以及找到这个曲面和孔以及周围平面的平整结合方法。首先，要对前面所得到的数据点进行去除杂点、去除噪音、插补数据、数据平滑等处理，将数据归类划分区域，在区域内建立特征曲线、特征曲面以及特征曲面网格，并对此网格进行光滑处理，最后得到拟合的曲面。
制造主板件主要是用拉延模具，设计拉延模具的关键是对拉深颈的设计、压料面的设计、工艺补充面和冲压方向的选择。工艺补充面一般设计在零件的四周，在产品成型以后是要被切除的。它存在的主要作用就是能使材料在成型时具有好的流动性，其好坏对零件的成型起着关键性的作用，改善工艺补充面还可以让材料的受力情况得到改善。在仔细分析了组件板之后得出结论：成型时在两个悬臂后侧的突起以及圆角部分容易出现浇注不满的问题。再分析选择用AUTOFORM软件的情况，如果在对零件设计的时候把圆角加大0.5毫米，可以避免圆角拉裂，在后侧主板间有一个明显的凸起，这个凸起可以通过成型模拟的结果来找到材料的最佳入口。通过对材料的CAE分析，可以找到最合理的拉延筋和工艺补充面的位置，具体设计如下所示。
一是采集数据。扫描测量采用的是PIX-30三坐标测量仪，目的是得到云点数集，首先将桨叶正确地固定在扫描平台上，并调整扫描探头的位置，使得到一个合适的扫描区。扫描区域的合适与否主要以是否获得最大尺寸的桨叶来衡量。然后进行自由测量，自由设置点与点之间的距离以及线线之间的距离，所得数据以STL文件格式保存，以便于后续文件打开。
二是数据处理。这一步对于逆向技术来说是最关键的，对模型重建的质量有很大的影响，这一步的处理结果对后续重建模型的质量有非常大的关联。这次用的重建方法是最简单的。首先找到坏点和噪点，然后手动把它们去除。其次找到几个在曲面上有代表性的点，用一些特征線进行判断，最后在满意后对其进行光滑修正，做好准备曲面重构的基本条件。然后用反求软件打开最初测量的数据，经反求软件处理，得到一些扫描的线，对这些线进行三角化处理，设定好合适的参数，并产生构造线，对分割好的曲面进行拟合。最后将所建立的线框模型以IGES格式输出。
三是三维建模。在三维建模中，我们采用的是Proe或UG软件来实现的，首先将之前生成的框架模型建立成3D曲面，最好利用这个曲面生成实体，完成建模。
六、小结
目前应用逆向工程的领域非常广阔，包括对旧产品的复原、新产品的设计开发、产品的检测等等。逆向工程是具有综合性、实用性、开拓性很强的一门技术。对它的学习和技能的提高，将会使越来越多的技工学生走进工程设计部门，改变了技工学校的学生只能待在一线生产车间的历史。
参考文献：
[1]谭昌柏，周来水，安鲁陵等.逆向工程中基于密集数据点的轮廓线重建技术[J].华南理工大学学报（自然科学版），2005（5）.
[2]严庆光.面向多点成形的逆向工程关键技术及应用研究[D].吉林大学，2005.
（作者单位：茂名技师学院）