長(zhǎng)久以來，工業(yè)產(chǎn)品的傳統(tǒng)開發(fā)方式均是遵循嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难邪l(fā)流程，從產(chǎn)品需求的構(gòu)思、功能與規(guī)格預(yù)期指標(biāo)的確定，進(jìn)而到各個(gè)組件的設(shè)計(jì)、制造、組裝、性能測(cè)試等。每個(gè)組件都保留有原始的設(shè)計(jì)圖，此設(shè)計(jì)圖目前通常通過 CAD 文件來保存。這種開發(fā)模式被稱為“預(yù)定模式”(Pre-scriptive Model)，此類開發(fā)工程亦通稱為“正向工程”(Forward Engineering)。 
    然而，隨著工業(yè)技術(shù)水平的提升以及生活水準(zhǔn)的提高，任何通用性產(chǎn)品在消費(fèi)者對(duì)于高品質(zhì)的要求下，功能上的需求已不再是贏得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的唯一條件。產(chǎn)品不單單是功能要先進(jìn)，近年來在 3D CAD 軟件的帶動(dòng)下，工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域已日益受到重視。 
    工業(yè)設(shè)計(jì)多著重于產(chǎn)品的外觀造型，在正向工程的研發(fā)流程中已不是傳統(tǒng)的機(jī)械工程師們所能勝任的了，取而代之的就是所謂的“逆向工程”(Reverse Engineering)。設(shè)計(jì)師們先通過手工方式塑造出模型，例如：蠟?zāi)?、木模、石膏模、粘土模、工程塑料模等等，然后再以三維尺寸測(cè)量的方式生成自由曲面的 CAD 文件。 
    由下圖可了解正向工程與逆向工程的整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)流程。
    逆向工程的應(yīng)用范圍包括： 
    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。 
    快速原型制作：古董、人像、藝術(shù)品、卡通人物、玩具等。 
    人體形狀測(cè)量：人體外形測(cè)量、醫(yī)療器材制作等。 
    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。 
    逆向工程以往通常是指對(duì)某一產(chǎn)品進(jìn)行仿制工作。這種需求的產(chǎn)生可能是由于原始設(shè)計(jì)文件遺失、部分零件重新設(shè)計(jì)，或是委托方交付一件樣品或產(chǎn)品(例如：木鞋模、高爾夫球頭等)，請(qǐng)制造廠商復(fù)制出來。 
    傳統(tǒng)的復(fù)制方法是利用立體雕刻機(jī)或是仿型銑床制作出成比例的模具，然后再進(jìn)行量產(chǎn)。這種方法被稱之為“類比式(Analog Type)復(fù)制”，缺點(diǎn)是無法建立工件尺寸的文件，也無法做任何的外形修改，現(xiàn)已逐漸被數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)所取代。 
    目前所謂的逆向工程是指針對(duì)現(xiàn)有工件，利用 3D 數(shù)字化測(cè)量?jī)x準(zhǔn)確、快速地取得點(diǎn)云圖像，隨后經(jīng)過曲面構(gòu)建、編輯、修改之后，置入一般的 CAD/CAM 系統(tǒng)，再由 CAD/CAM 計(jì)算出 NC 加工路徑，最后通過 CNC 加工設(shè)備制作模具。另一種量產(chǎn)方式則是先以快速原型機(jī)(Rapid Prototyping System)將樣品模型制作出來，然后再以快速模具(Rapid Tooling)進(jìn)行產(chǎn)品量產(chǎn)。具體流程如下圖所示。 
    四大逆向工程軟件簡(jiǎn)介 
    Imageware 
    Imageware 由美國(guó) EDS 公司出品，是最著名的逆向工程軟件，正被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、消費(fèi)家電、模具、計(jì)算機(jī)零部件等設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。該軟件擁有廣大的用戶群，國(guó)外有 BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、raytheon、Toyota 等著名國(guó)際大公司，國(guó)內(nèi)則有上海大眾、上海交大、上海 DELPHI、成都飛機(jī)制造公司等大企業(yè)。 
    以前該軟件主要被應(yīng)用于航空航天和汽車工業(yè)，因?yàn)檫@兩個(gè)領(lǐng)域?qū)諝鈩?dòng)力學(xué)性能要求很高，在產(chǎn)品開發(fā)的開始階段就要認(rèn)真考慮空氣動(dòng)力性。常規(guī)的設(shè)計(jì)流程首先根據(jù)工業(yè)造型需要設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)，制作出油泥模型之后將其送到風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室去測(cè)量空氣動(dòng)力學(xué)性能，然后再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)修改直到獲得滿意結(jié)果為止，如此所得到的最終油泥模型才是符合需要的模型。如何將油泥模型的外形精確地輸入計(jì)算機(jī)成為電子模型，這就需要采用逆向工程軟件。首先利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器測(cè)出模型表面點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，然后利用逆向工程軟件(例如：Imageware surfacer)進(jìn)行處理即可獲得 class 1 曲面。 
    隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和消費(fèi)水平的不斷提高，其它許多行業(yè)也開始紛紛采用逆向工程軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。以微軟公司生產(chǎn)的鼠標(biāo)器為例，就其功能而言，只需要有三個(gè)按鍵就可以滿足使用需要，但是，怎樣才能讓鼠標(biāo)器的手感最好，而且經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間使用也不易產(chǎn)生疲勞感卻是生產(chǎn)廠商需要認(rèn)真考慮的問題。因此微軟公司首先根據(jù)人體工程學(xué)制作了幾個(gè)模型并交給使用者評(píng)估，然后根據(jù)評(píng)估意見對(duì)模型直接進(jìn)行修改，直至修改到大家都滿意為止，最后再將模型數(shù)據(jù)利用逆向工程軟件 Imageware 生成 CAD 數(shù)據(jù)。當(dāng)產(chǎn)品推向市場(chǎng)后，由于外觀新穎、曲線流暢，再加上手感也很好，符合人體工程學(xué)原理，因而迅速獲得用戶的廣泛認(rèn)可，產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率大幅度上升。 
    Imageware 逆向工程軟件的主要產(chǎn)品有： 
    Surfacer——逆向工程工具和 class 1 曲面生成工具 
    Verdict——對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)和CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比評(píng)估 
    Build it——提供實(shí)時(shí)測(cè)量能力，驗(yàn)證產(chǎn)品的制造性 
    RPM——生成快速成型數(shù)據(jù) 
    View——功能與 Verdict 相似，主要用于提供三維報(bào)告 
    Imageware 采用 NURB 技術(shù)，軟件功能強(qiáng)大，易于應(yīng)用。Imageware 對(duì)硬件要求不高，可運(yùn)行于各種平臺(tái)：UNIX 工作站、PC 機(jī)均可，操作系統(tǒng)可以是 UNIX、NT、Windows95 及其它平臺(tái)。 
    Imageware 由于在逆向工程方面具有技術(shù)先進(jìn)性，產(chǎn)品一經(jīng)推出就占領(lǐng)了很大市場(chǎng)分額，軟件收益正以 47% 的年速率快速增長(zhǎng)。 
    Surfacer 是 Imageware 的主要產(chǎn)品，主要用來做逆向工程，它處理數(shù)據(jù)的流程遵循點(diǎn)——曲線——曲面原則，流程簡(jiǎn)單清晰，軟件易于使用。其流程如下： 
    一、點(diǎn)過程 
    讀入點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。 
    Surfacer 可以接收幾乎所有的三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)，此外還可以接收其它格式，例如：STL、VDA 等。 
    將分離的點(diǎn)陣對(duì)齊在一起(如果需要)。 
    有時(shí)候由于零件形狀復(fù)雜，一次掃描無法獲得全部的數(shù)據(jù)，或是零件較大無法一次掃描完成，這就需要移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)零件，這樣會(huì)得到很多單獨(dú)的點(diǎn)陣。Surfacer　可以利用諸如圓柱面、球面、平面等特殊的點(diǎn)信息將點(diǎn)陣準(zhǔn)確對(duì)齊。 
    對(duì)點(diǎn)陣進(jìn)行判斷，去除噪音點(diǎn)(即測(cè)量誤差點(diǎn))。 
    由于受到測(cè)量工具及測(cè)量方式的限制，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些噪音點(diǎn)，Surfacer 有很多工具來對(duì)點(diǎn)陣進(jìn)行判斷并去掉噪音點(diǎn)，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。 
    通過可視化點(diǎn)陣觀察和判斷，規(guī)劃如何創(chuàng)建曲面。 
    一個(gè)零件，是由很多單獨(dú)的曲面構(gòu)成，對(duì)于每一個(gè)曲面，可根據(jù)特性判斷用用什么方式來構(gòu)成。例如，如果曲面可以直接由點(diǎn)的網(wǎng)格生成，就可以考慮直接采用這一片點(diǎn)陣；如果曲面需要采用多段曲線蒙皮，就可以考慮截取點(diǎn)的分段。提前作出規(guī)劃可以避免以后走彎路。 
    根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建點(diǎn)的網(wǎng)格或點(diǎn)的分段。 
    Surfacer 能提供很多種生成點(diǎn)的網(wǎng)格和點(diǎn)的分段工具，這些工具使用起來靈活方便，還可以一次生成多個(gè)點(diǎn)的分段。 
    二、曲線創(chuàng)建過程 
    判斷和決定生成哪種類型的曲線。 
    曲線可以是精確通過點(diǎn)陣的、也可以是很光順的(捕捉點(diǎn)陣代表的曲線主要形狀)，或介于兩者之間。 
    創(chuàng)建曲線。 
    根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建曲線，可以改變控制點(diǎn)的數(shù)目來調(diào)整曲線。控制點(diǎn)增多則形狀吻合度好，控制點(diǎn)減少則曲線較為光順。 
    診斷和修改曲線。 
    可以通過曲線的曲率來判斷曲線的光順性，可以檢查曲線與點(diǎn)陣的吻合性，還可以改變曲線與其它曲線的連續(xù)性(連接、相切、曲率連續(xù))。Surfacer 提供很多工具來調(diào)整和修改曲線。 
    三、曲面創(chuàng)建過程 
    決定生成那種曲面。 
    同曲線一樣，可以考慮生成更準(zhǔn)確的曲面、更光順的曲面(例如 class 1 曲面)，或兩者兼顧，可根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要來決定。 
    創(chuàng)建曲面。 
    創(chuàng)建曲面的方法很多，可以用點(diǎn)陣直接生成曲面(Fit free form)，可以用曲線通過蒙皮、掃掠、四個(gè)邊界線等方法生成曲面，也可以結(jié)合點(diǎn)陣和曲線的信息來創(chuàng)建曲面。還可以通過其它例如園角、過橋面等生成曲面。 
    診斷和修改曲面。 
    比較曲面與點(diǎn)陣的吻合程度，檢查曲面的光順性及與其它曲面的連續(xù)性，同時(shí)可以進(jìn)行修改，例如可以讓曲面與點(diǎn)陣對(duì)齊，可以調(diào)整曲面的控制點(diǎn)讓曲面更光順，或?qū)η孢M(jìn)行重構(gòu)等處理。 
    英國(guó) Triumph Motorcycles 有限公司的設(shè)計(jì)工程師 Chris Chatburn 說：“利用 Surfacer 我們可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成更多的設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)，這樣可以讓我們減少 50% 的設(shè)計(jì)時(shí)間。” 
    最新發(fā)布的 Surfacer 10.6 軟件將以下工作流程的高性能工具完整的集成到一起： 
    [彈性的曲面創(chuàng)建工具]：可以在一個(gè)彈性的設(shè)計(jì)環(huán)境里非常方便的直接從曲線、曲面、或測(cè)量數(shù)據(jù)創(chuàng)建曲面，支持貝茨爾(Bezier)和非均勻有理 B 樣條(NURBS)曲面兩種方法。用戶可以選擇適合的曲面方法，通過結(jié)合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)來獲益。 
    [動(dòng)態(tài)的曲面修改工具]：允許用戶在交互的方式下試探設(shè)計(jì)主題，立刻就可以看到是否美觀和思路是否符合工程觀念。設(shè)計(jì)、工程分析、制造的標(biāo)準(zhǔn)都通過精心的構(gòu)造過程考慮進(jìn)去，所以當(dāng)每次修改曲面時(shí)不需要再重新校核標(biāo)準(zhǔn)。 
    [實(shí)時(shí)的曲面診斷工具]：可以提供諸如任意截面的連續(xù)性、曲面反射線情況、高亮度線、光譜圖、曲率云圖和園柱型光源照射下的反光圖等多種方法，在設(shè)計(jì)的任何時(shí)候都可以查出曲面缺陷。 
    [有效的曲面連續(xù)性管理工具]：在復(fù)雜的曲面縫補(bǔ)等情況下，即使曲面進(jìn)行了移動(dòng)修改等操作，也能保證曲面同與之相連的曲面間的曲率連續(xù)，避免了乏味的手工再調(diào)整過程。 
    [強(qiáng)大的處理掃描數(shù)據(jù)能力]：根據(jù) Rainbow 圖法(相當(dāng)于假設(shè)雨水從上面落下，由于形狀差異導(dǎo)致雨水流速差異)、曲率大小變化云圖法(對(duì)于一個(gè)完全光順的 class 1 曲面，相當(dāng)于曲率大小變化為零，對(duì)于兩個(gè)不同曲面，此值會(huì)不同)將掃描數(shù)據(jù)分開，這樣可以很快地捕捉產(chǎn)品的主要特征，并迅速建立各個(gè)相應(yīng)曲面，避免了費(fèi)事的分析和處理。
    正是由于 Imageware 在計(jì)算機(jī)輔助曲面檢查、曲面造型及快速樣件等方面具有其它軟件無可匹敵的強(qiáng)大功能，使它當(dāng)之無愧的成為逆向工程領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。 
    Geomagic Studio 
    由美國(guó) Raindrop (雨滴)公司出品的逆向工程和三維檢測(cè)軟件 Geomagic Studio 可輕易地從掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為 NURBS 曲面。該軟件也是除了 Imageware 以外應(yīng)用最為廣泛的逆向工程軟件。 
    Geomagic Studio 主要包括 Qualify、Shape、Wrap、Decimate、Capture 五個(gè)模塊。主要功能包括： 
    自動(dòng)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多邊形(Polygons) 
    快速減少多邊形數(shù)目(Decimate) 
    把多邊形轉(zhuǎn)換為 NURBS 曲面 
    曲面分析(公差分析等) 
    輸出與 CAD/CAM/CAE 匹配的文件格式(IGS、STL、DXF等) 

    1.從CAD數(shù)模得到的產(chǎn)品模型 

    2.將CAD模型讀入 Geomagic Studio 

    3.CAD 設(shè)計(jì)模型與從實(shí)際模型掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(不同坐標(biāo)系) 

    4.掃描數(shù)據(jù)與CAD模型的自動(dòng)對(duì)合 

    5.掃描數(shù)據(jù)與CAD模型的自動(dòng)對(duì)齊 

    6.誤差以彩色圖形直觀顯示 

    7.用戶可標(biāo)出任意點(diǎn)誤差 8. Qualify 的結(jié)果可以輸出為 HTML 格式 　 
    CopyCAD 
    CopyCAD 是由英國(guó) DELCAM 公司出品的功能強(qiáng)大的逆向工程系統(tǒng)軟件，它能允許從已存在的零件或?qū)嶓w模型中產(chǎn)生三維CAD模型。該軟件為來自數(shù)字化數(shù)據(jù)的 CAD 曲面的產(chǎn)生提供了復(fù)雜的工具。CopyCAD 能夠接受來自坐標(biāo)測(cè)量機(jī)床的數(shù)據(jù)，同時(shí)跟蹤機(jī)床和激光掃描器。 
    CopyCAD 簡(jiǎn)單的用戶界面允許用戶在盡可能短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)，并且能夠快速掌握其功能，既使對(duì)于初次使用者也能做到這點(diǎn)。使用 CopyCAD 的用戶將能夠快速編輯數(shù)字化數(shù)據(jù)，產(chǎn)生具有高質(zhì)量的復(fù)雜曲面。該軟件系統(tǒng)可以完全控制曲面邊界的選取，然后根據(jù)設(shè)定的公差能夠自動(dòng)產(chǎn)生光滑的多塊曲面 ，同時(shí)，CopyCAD 還能夠確保在連接曲面之間的正切的連續(xù)性。 
    該軟件的主要功能如下： 
    數(shù)字化點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入 
    DUCT 圖形和三角模型文件 
    CNC 坐標(biāo)測(cè)量機(jī)床 
    分隔的 ASCII 碼和 NC 文件 
    激光掃描器、三維掃描器和 SCANTRON 
    PC ArtCAM 
    Renishaw MOD 文件 
    點(diǎn)操作 
    能夠進(jìn)行相加、相減、刪除、移動(dòng)以及點(diǎn)的隱藏和標(biāo)記等點(diǎn)編輯 
    能夠?yàn)闇y(cè)量探針大小對(duì)模型的三維偏置進(jìn)行補(bǔ)償 
    能夠進(jìn)行模型的轉(zhuǎn)換、縮放、旋轉(zhuǎn)和鏡像等模型轉(zhuǎn)換 
    能夠?qū)ζ矫?、多邊形或其它模型進(jìn)行模型裁剪 
    三角測(cè)量 
    在用戶定義的公差和選項(xiàng)內(nèi)的數(shù)字化模型的三角測(cè)量，包括： 
    ① 原始的——法線設(shè)置 
    ② 尖銳——尖銳特征強(qiáng)化 
    ③ 特征匹配——來自點(diǎn)法線數(shù)據(jù)的特征 
    ④ 關(guān)閉三角測(cè)量——為了快速繪圖可以關(guān)閉模型 
    特征線的產(chǎn)生 
    邊界——轉(zhuǎn)換模型外邊緣為特征線 
    間斷——為找到簡(jiǎn)單的特征(如凸出和凹下)而探測(cè)數(shù)據(jù)里的尖銳邊緣 
    能夠轉(zhuǎn)換數(shù)字化掃描線為特征線 
    輸入的數(shù)據(jù)——能夠從點(diǎn)文件中摘錄多線條和樣條曲線 
    曲面構(gòu)造 
    通過在三角測(cè)量模型上跟蹤直線產(chǎn)生多樣化曲面 
    在連接的曲面之間，用已存在的曲面定義帶有選項(xiàng)的正切連續(xù)性的邊界 
    使用特征線指導(dǎo)和加快曲面定義 
    曲面錯(cuò)誤檢查 
    比較曲面與數(shù)字化點(diǎn)數(shù)據(jù) 
    報(bào)告最大限、中間值和標(biāo)準(zhǔn)值的錯(cuò)誤背離 
    錯(cuò)誤圖形形象地顯示變化 
    輸出 
    IGES、CADDS4X 
    STL ASCII 碼和二進(jìn)制 
    DUCT 圖形、三角模型和曲面 
    分隔的 ASCII 碼 
    RapidForm
    RapidForm 是韓國(guó) INUS 公司出品的全球四大逆向工程軟件之一，RapidForm 提供了新一代運(yùn)算模式，可實(shí)時(shí)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)運(yùn)算出無接縫的多邊形曲面，使它成為 3D Scan 后處理之最佳化的接口。RapidForm 也將使您的工作效率提升，使 3D 掃描設(shè)備的運(yùn)用范圍擴(kuò)大，改善掃描品質(zhì)。 
    多點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理介面 
高級(jí)光學(xué) 3D 掃描儀會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)(可達(dá) 100,000 ～ 200,000點(diǎn))，由于數(shù)據(jù)非常龐大，因此需要昂貴的電腦硬件才可以運(yùn)算，現(xiàn)在 RapidForm 提供記憶管理技術(shù)(使用更少的系統(tǒng)資源)可縮短您處理數(shù)據(jù)的時(shí)間。 
    多點(diǎn)云處理技術(shù) 
可以迅速處理龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不論是稀疏的點(diǎn)云還是跳點(diǎn)都可以輕易地轉(zhuǎn)換成非常好的點(diǎn)云， RapidForm 提供過濾點(diǎn)云工具以及分析表面偏差的技術(shù)來消除 3D 掃描儀所產(chǎn)生的不良點(diǎn)云。 
    快速點(diǎn)云轉(zhuǎn)換成多邊形曲面的計(jì)算法 
    在所有逆向工程軟件中，RapidForm 提供一個(gè)特別的計(jì)算技術(shù)，針對(duì) 3D 及 2D 處理是同類型計(jì)算，軟件提供了一個(gè)最快最可靠的計(jì)算方法，可以將點(diǎn)云快速計(jì)算出多邊形曲面。RapidForm 能處理無順序排列的點(diǎn)數(shù)據(jù)以及有順序排列的點(diǎn)數(shù)據(jù)。 
    彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理 
    RapidForm 支持彩色 3D 掃描儀，可以生成最佳化的多邊形，并將顏色信息映像在多邊形模型中。在曲面設(shè)計(jì)過程中，顏色信息將完整保存，也可以運(yùn)用 RP 成型機(jī)制作出有顏色信息的模型。RapidForm 也提供上色功能，通過實(shí)時(shí)上色編輯工具，使用者可以直接對(duì)模型編輯自己喜歡的顏色。 
    點(diǎn)云合并功能 
    多個(gè)點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)有可能經(jīng)手動(dòng)方式將特殊的點(diǎn)云加以合并，當(dāng)然，RapidForm 也提供一技術(shù)，使用者可以方便地對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行各種各樣的合并。 
    注：Roland 模具加工機(jī)隨機(jī)所附的 PixForm 軟件為 RapidForm 的 OEM 軟件。