一、逆向設計的概念

    逆向工程（ReverseEngineering-RE）是對產(chǎn)品設計過程的一種描述。

    在工程技術人員的一般概念中，產(chǎn)品設計過程是一個從無到有的過程，即設計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，最終將這個模型轉(zhuǎn)入到制造流程中，完成產(chǎn)品的整個設計制造周期。這樣的產(chǎn)品設計過程我們稱為“正向設計”過程。逆向工程產(chǎn)品設計可以認為是一個“從有到無”的過程。簡單地說，逆向工程產(chǎn)品設計就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)（包括設計圖紙或數(shù)字模型）的過程。從這個意義上說，逆向工程在工業(yè)設計中的應用已經(jīng)很久了。早期的船舶工業(yè)中常用的船體放樣設計就是逆向工程的很好實例。隨著計算機技術在制造領域的廣泛應用，特別是數(shù)字化測量技術的迅猛發(fā)展，基于測量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術成為逆向工程技術關注的主要對象。通過數(shù)字化測量設備（如三維掃描儀、三坐標等）獲取的物體表面的空間數(shù)據(jù)，需要利用逆向工程技術建立產(chǎn)品的三維模型，進而利用CAM系統(tǒng)完成產(chǎn)品的制造。因此，逆向工程技術可以認為是將產(chǎn)品樣件轉(zhuǎn)化為三維模型的相關數(shù)字化技術和幾何建模技術的總稱。逆向工程的實施過程是多領域、多學科的協(xié)同過程。

    作為一種新產(chǎn)品開發(fā)以及消化、吸收先進技術的重要手段,逆向工程和快速原型技術可以勝任消化外來技術成果的要求。它們的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品設計開發(fā)模式,大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時間周期,提高產(chǎn)品研發(fā)的成功率。

    當今，各個行業(yè)越來越注重產(chǎn)品的外觀設計，以此來吸引顧客，最終在商業(yè)上取得成功。這點在消費產(chǎn)品的設計中體現(xiàn)的尤為突出。特別是手機、數(shù)碼相機、汽車等行業(yè)。

二、順、逆向工程在設計流程中的比較與分析

    逆向工程，顧名思義與順向工程的設計流程不同，其過程是依靠已經(jīng)存在的零件或是產(chǎn)品原型的表面所得到的資料來建立3DCAD模型，而不是透過設計圖。

圖1：兩個設計流程的主要差別在于傳統(tǒng)的順向工程是概念設計、產(chǎn)品規(guī)范到產(chǎn)品設計圖，

而逆向工程則是由測量到的資料來反推得到3DCAD模型。

    如圖1所示，其兩個設計流程的主要差別在于傳統(tǒng)的順向工程是概念設計、產(chǎn)品規(guī)范到產(chǎn)品設計圖，而逆向工程則是由測量到的資料來反推得到3DCAD模型。順向的產(chǎn)品開發(fā)程序是設計師依據(jù)產(chǎn)品企劃時所定的規(guī)劃與設計構(gòu)想，繪制草圖及效果圖，并且依據(jù)效果圖制作手工模型，或以建構(gòu)CAD幾何模型，最后進行NC或RP（RapidPrototype）的加工程序。然而導入逆向工程設計程序后，設計師仍是依據(jù)產(chǎn)品設計企劃時所定的規(guī)范與設計構(gòu)想，但效果圖或精細描繪則已不是必備的程序了，取而代之的將是直接運用逆向工程對PU泡沫或油土模型進行點資料掃描，并交由CAD系統(tǒng)進行編修與重建，最后進行NC或RP的加工程序，從開發(fā)角度看，這個流程中可以明顯發(fā)現(xiàn)順、逆向工程的差異如圖2所示。

圖2

    單純?nèi)鞒棠嫦蚬こ虝a(chǎn)生以下問題：資料量大、調(diào)取數(shù)據(jù)麻煩、曲面定位（Location）、曲面的連續(xù)性控制等。采用混合式設計流程，僅需要對修改部分作局部逆向工程快速重建、從而能縮短整個設計制造的程序。如圖3所示。

圖3

三、逆向設計的基本流程

圖4 汽車設計項目實際流程

    逆向工程是將實物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的數(shù)字化技術、幾何模型重建技術和產(chǎn)品制造技術的總稱，逆向工程是汽車產(chǎn)品開發(fā)的新方式。目前基于CAD/CAM系統(tǒng)的三維掃描儀(數(shù)字掃描技術)為實物逆向工程提供了有力的支持，在進行數(shù)字化掃描、完成實物的3D重建后，通過NC加工就能快速地制造出模具，最終注塑得到所需的產(chǎn)品，通過逆向工程技術，在消化、吸收先進技術的基礎上，建立和掌握自己的產(chǎn)品開發(fā)設計技術，進行產(chǎn)品的創(chuàng)新設計，是提高汽車設計能力和制造效率的捷徑。

    逆向工程的簡單過程是：利用三維掃描儀掃描實體模型，將數(shù)據(jù)導入計算機，利用逆向工程軟件處理獲取的點云數(shù)據(jù)，行程曲線、曲面、實體模型，對實體模型進行修正，形成最終的三維模型。相比正向建模，逆向工程建模的速度更快，效率更高。逆向工程隊對計算機處理器、內(nèi)存和顯卡的性能有綜合要求，特別是要保證實時數(shù)據(jù)采集和處理，必須配置較高的內(nèi)存和性能強大的顯卡。

1、逆向工程的結(jié)構(gòu)體系

    逆向工程系統(tǒng)主要由三部分組成:產(chǎn)品實物幾何外形的數(shù)字化、CAD模型重建、產(chǎn)品或模具制造。逆向工程中的關鍵技術是據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型的重建。

逆向工程流程圖

(1)數(shù)據(jù)采集

    數(shù)據(jù)采集是逆向工程的第一步,其方法的得當直接影響到是否能準確、快速、完整地獲取實物的二維、三維幾何數(shù)據(jù),影響到重構(gòu)的CAD實體模型的質(zhì)量,并最終影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖6 數(shù)據(jù)采集

(2)數(shù)據(jù)處理

    對于獲取的一系列點數(shù)據(jù)在進行CAD模型重建前,必須進行格式轉(zhuǎn)換、噪聲濾除、平滑、對齊、歸并、測頭半徑補償和插值補點等處理。

圖7 運用CATIA軟件進行數(shù)據(jù)處理

(3)模型重建

    將處理過的測量數(shù)據(jù)導入CAD系統(tǒng),依據(jù)前面創(chuàng)建的曲線、曲面構(gòu)建出原型的CAD模型。

圖8 重新建模

    簡單理解汽車逆向設計流程：拿到實物產(chǎn)品----進行產(chǎn)品公析掃描------三維掃描儀進行掃描輸出數(shù)據(jù)文件STL格式-----Surfacer或Geomagic進數(shù)據(jù)處理格式為igs------進行Pro/E等三維軟件中進行繪圖，當今主要流行的三維CAD軟件如UG、IMAGEWARE、CATIA、I-DEAS、Pro/Engineer。