摘要：近十几年来，随着测量技术、计算机软、硬件技术的发展，有别于传统正向工程的一门新技术正在蓬勃兴起，即逆向工程RE。目前，国内外有关逆向工程的研究主要集中在实物几何形状的逆向，即通过测绘及数据分析，实现产品实物CAD模型的重建，称为实物逆向工程。本文主要对逆向工程技术和误差因素进行了简要的分析。
关键词：逆向工程；关键技术；误差因素；分析
1、逆向工程技术
数据测量是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，在此基础上进行复杂曲面的建模、改进及设计，最终实现产品逆向制造。因此，高效、高精度地实现实物表面的数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术。
目前，逆向工程使用的测量工具可根据方式的不同分为接触方法和非接触方法。接触方法和非接触方法根据原理不同又分为不同的形式。如表所示。
逆向工程使用的测量工具分类
①接触式测量接触式数据采集通常使用三坐标测量机，测量时可根据实物的形状选择不同的测量探头，采用接触移动的形式采集并记录实物表面轮廓的坐标数据。
由于测量探头的限制，无法测量零件的细小特征；由于必须接触测量，不能测量易碎、易变形的零件。同时，接触测量时探头与零件表面接触，测量速度慢，测量后需要进行测量探头补偿，因此工作效率较低。
②非接触式测量非接触式数据采集主要运用光学原理进行数据的采集，主要包括激光三角形法、激光测距法、结构光法和图像分析法等。
非接触式测量数据采集方式速度快、精度较高，获得的数据点云信息量大，能最大限度地反映被测零件表面的真实形状。同时，排除了接触测量时由于摩擦力及接触压力造成的部分数据偏差。
非接触式数据采集法，适用于测量柔软、易变形物体；不受探头体积影响，适用于表面形状复杂、精度要求不高的细小特征及未知曲面的测量，例如汽车、考古、泥模、人体扫描等。
由于采用光学原理测量，物体表面的颜色、光亮度、粗糙度、形状等都影响到测量数据的精度，其测量误差比接触式测量要大。
对于结构、形状相对简单，精度要求较高的零件，可采用接触式测量方法进行数据采集；对于大型产品的外形轮廓，可采用非接触式扫描测量，以提高测量效率和完整反映产品的特征；对于易变形、精度要求不高的产品进行测量时宜采用非接式测量方法。
2、逆向工程的三维模型重构
2.1、数字化测量
数字化测量是逆向工程中进行数据采集的基础环节。目前获取点云的方法主要有两种，分别为接触式仪器测量（如三坐标测量仪）和非接触式仪器测量（如手持式激光扫描仪）。前者的优点是测量精准、有较强的适应性，缺点是效率低，另外由于探头需要接触物体表面，为了避免破坏物体表面，只能用于测量表面较硬的物体；后者的优点是测量效率高、速度快，缺点是精度相对较低，因而后续处理过程比较繁琐。
三维扫描操作流程为：确定工作面→制定扫描方案→启动并设置交互软件→粘贴定位点→选择扫描区域→手持扫描仪扫描→保存扫描数据。
2.2、点云数据处理
在测量曲面点云的过程中，一些外部因素（如设备存在的缺陷、测量方法有偏差或零件个别位置表面质量不高等）会对点云数据造成误差，尤其是曲面交界处和曲率变化较大的位置。点云处理包括以下过程：去除噪（音）点、数据简化、可视化点云、调整对齐点云基准、点云数据的光顺与平滑处理、曲线拟合和曲面重构等。
3、三维激光扫描点云数据处理技术
3.1、工作原理
三维激光扫描仪向被测对象物体发射大量激光束，接受反射信号，计算被测对象表面点的三维坐标，记录反射率以及纹理等信息，从而得到点云数据。而不同的仪器制造商生产的仪器对于被测物体表面三维坐标的计算方式又各不相同，主要分为以下两种：①脉冲测距的方法。根据激光束发射与接收的时间差，计算出仪器与被测点间的距离，精密时钟控制编码器同时记录横向角度值与纵向角度值，从而解算出每个点的X，Y，Z坐标值。②相位差测距的方法。距离值是通过获取检测调幅光波发射与接收之间的相位差得到，仪器再记录横向角度值与纵向角度值，解算出X，Y，Z坐标值。
3.2、数据处理流程
数据处理主要步骤为点云数据的获取、点云数据的预处理、模型构建与纹理映射等。其中预处理包括数据的配准、去噪、精简、分割等。流程图如图所示。
数据处理流程
总而言之，随着测量技术和计算机技术的快速发展，依托实体为研究对象。利用逆向工程技术对产品进行测绘、建模、仿真、优化及新产品开发，成为现代设计的主要工具。逆向工程技术有别于传统正向设计，将缩短新产品的开发周期，提高企业竞争力，已成功应用于各个行业。
参考文献：
[1]刘婷玉.基于逆向工程的曲面模型数字化技术研究[D].华东理工大学，2016.
[2]丰文燕.基于逆向工程的机械装备运动仿真系统研究[D].河南工业大学，2016.
[3]钟元元.基于逆向工程的破损零件修复方法研究[D].兰州理工大学，2016.
[4]李卫民，韩国辉，王月婷.逆向工程中数据预处理技术[J].制造业自动化，2016，01：112-116+127.
[5]李庆，邢志勇.工业产品的逆向工程技术及应用[J].重庆文理学院学报（社会科学版），2016，02：102-105+115.
论文作者:张利成
论文发表刊物:《基层建设》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/11
标签：测量论文; 数据论文; 工程论文; 表面论文; 曲面论文; 物体论文; 零件论文; 《基层建设》2017年第26期论文;