Apurva Gautam

摘 要：工程學(xué)在一系列的機(jī)械設(shè)計(jì)和制造業(yè)中充當(dāng)著重要的作用。這種技術(shù)已經(jīng)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期中被廣泛地視為一個(gè)重要的技術(shù)。在常規(guī)的信息化制造業(yè)中，操作指令通常是開始于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)且終止于機(jī)械操作，以將原材料轉(zhuǎn)換為最終的產(chǎn)品。當(dāng)原始的圖紙或者文件無法使用或需要分析和修改來提升產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)，使用任何的數(shù)字化技術(shù)去復(fù)制一個(gè)已有的部分CAD模型常常是十分關(guān)鍵的。在逆向工程方法中，幾何模型以及關(guān)聯(lián)外觀表示的特性、分割和簡(jiǎn)單及自有形態(tài)的外觀裝配和創(chuàng)造準(zhǔn)確的CAD模型都是十分重要的方面。文章展示了逆向工程方法以及其與產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域。運(yùn)用逆向工程進(jìn)行的產(chǎn)品重設(shè)計(jì)和研究將會(huì)很大程度上減少生產(chǎn)周期和產(chǎn)品制造業(yè)的成本。

關(guān)鍵詞：逆向工程；掃描技術(shù)；點(diǎn)云/STL數(shù)據(jù)；CAD/CAM/CAE

1 介紹

在過去的30年間，這個(gè)世界已經(jīng)見證了三維數(shù)字化的聚合。每當(dāng)新的技術(shù)突破了物質(zhì)形態(tài)和數(shù)字形態(tài)的界限，新的產(chǎn)品和新的市場(chǎng)就得以創(chuàng)造。20世紀(jì)70年代迎來了使用信號(hào)處理的數(shù)字聲音（1D），在電信業(yè)里這種信號(hào)處理可以對(duì)一個(gè)常見的語(yǔ)言的一部分做出模擬和數(shù)字轉(zhuǎn)換。20世紀(jì)80年代帶來了數(shù)字化的字體和使用圖像處理技術(shù)的圖片（2D）。這種電子和文本信號(hào)轉(zhuǎn)換的便利改變了出版行業(yè)和存儲(chǔ)分享信息的方式。第3種聚合，開始于20世紀(jì)90年代，專注使用幾何處理（3D）將現(xiàn)實(shí)物質(zhì)數(shù)字化。這種因?yàn)槟嫦蚝驼蚬こ讨率刮镔|(zhì)世界和數(shù)字世界的聚合從根本上改變了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造以及營(yíng)銷。通過像拍攝一張數(shù)碼照片一樣簡(jiǎn)單地創(chuàng)建一些世界的復(fù)制，21世紀(jì)的最大突破將會(huì)產(chǎn)生于制造業(yè)中。

逆向工程可以被應(yīng)用在重塑高價(jià)的商用部分以獲得商業(yè)利潤(rùn)或者無價(jià)的遺產(chǎn)部分以獲得歷史修復(fù)。為了實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)，工程師需要理解原始部分的功能且擁有重新修復(fù)關(guān)鍵細(xì)節(jié)的技能。在機(jī)械制造和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，逆向工程指的是從現(xiàn)有的部分和他們的集合中創(chuàng)建工程設(shè)計(jì)和文件數(shù)據(jù)的方法。在傳統(tǒng)的工程流程中會(huì)將工程概念和模型轉(zhuǎn)換成真實(shí)的部分；而在逆向工程工程方法中，真實(shí)的部分將會(huì)被轉(zhuǎn)化為工程的模型和概念。逆向工程有著很常見、很廣泛的領(lǐng)域諸如機(jī)械工程、軟件工程、動(dòng)畫及娛樂工程、微芯片、化學(xué)、電子工業(yè)和藥物生產(chǎn)等。專注于機(jī)械制造領(lǐng)域，通過逆向工程的應(yīng)用可以使得已有的部分可以被重新創(chuàng)造，這種創(chuàng)造通過獲取已有部分的表面或幾何信息利用接觸的或非接觸的數(shù)字化或測(cè)量化的設(shè)備。通過利用逆向工程，創(chuàng)造產(chǎn)品可以廣泛地利用CAD/CAM/CAE系統(tǒng)，且可以顯著的提供廣泛的收益在提升質(zhì)量、材質(zhì)、重設(shè)計(jì)的效率以及生產(chǎn)和分析。逆向工程將會(huì)在縮短產(chǎn)品開發(fā)周期方面產(chǎn)生大量的商業(yè)收益。

逆向工程已經(jīng)被用于生產(chǎn)許多機(jī)械零件，諸如密封圈、O形環(huán)、螺栓和螺母、墊片和引擎部分，而且也被廣泛地應(yīng)用于很多工業(yè)。國(guó)際制造工程協(xié)會(huì)（SME）聲稱逆向工程的實(shí)踐“起始于一個(gè)完成的產(chǎn)品或流程并在有邏輯的樣式中反方向工作以探索隱含其中的新科技”。世界各地的制造商已經(jīng)在他們的產(chǎn)品研發(fā)方面實(shí)踐了逆向工程。一些新的分析技術(shù)，諸如三維（3D）激光掃描機(jī)和高分辨率顯微鏡已經(jīng)使得逆向工程更將簡(jiǎn)單，但是這其中還是有許多地方需要進(jìn)一步學(xué)習(xí)。許多的專業(yè)性機(jī)構(gòu)從他們的角度已經(jīng)提供了逆向工程的定義。逆向工程已經(jīng)融合了適當(dāng)?shù)臋C(jī)械設(shè)計(jì)和制造工程標(biāo)準(zhǔn)以及許多現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)限制，這些內(nèi)容涵蓋了許多學(xué)科廣闊的知識(shí)諸如：（1）將數(shù)學(xué)、工程和科學(xué)知識(shí)應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析和理解之中。（2）使用技術(shù)、儀器和工具在逆向工程應(yīng)用之中。（3）逆向工程中執(zhí)行適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)和測(cè)試以獲得必要的數(shù)據(jù)。（4）辨認(rèn)、系統(tǒng)闡述并解決與逆向工程相關(guān)的問題。（5）理解與逆向工程相關(guān)的法律和道德責(zé)任。（6）評(píng)價(jià)和評(píng)估文件并促進(jìn)逆向工程的實(shí)現(xiàn)。

2 歷史

工程被廣泛地使用在第二次世界大戰(zhàn)和冷戰(zhàn)時(shí)期。它經(jīng)常被用于軍隊(duì)復(fù)制其他國(guó)家的技術(shù)、儀器或信息、或者被常規(guī)軍隊(duì)或智能操作獲取的一些部分取代。在過去幾年里，隨著計(jì)算能力的增長(zhǎng)、更大的內(nèi)存以及高速的接觸式和非接觸式掃描儀的出現(xiàn)，離散幾何已在汽車設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和質(zhì)量保障反面獲得了更重要的位置。在最近幾年，逆向工程對(duì)制造業(yè)的影響與日俱增，這一影響也促使工業(yè)革命發(fā)揮著重要的作用，這一革命通過介紹一些貴重的產(chǎn)品并且刺激產(chǎn)生更多的競(jìng)爭(zhēng)。然而，現(xiàn)在發(fā)明的平均生命周期變得更短。為了適應(yīng)更高概率的機(jī)械和儀器發(fā)明，逆向工程提供了高科技的工具去提升再造的流程以使得未來產(chǎn)業(yè)變革。逆向工業(yè)在航工業(yè)發(fā)揮著重要的作用，主要是因?yàn)椋汗I(yè)的成熟、現(xiàn)代科技的進(jìn)步以及市場(chǎng)需求。從20世紀(jì)初航空業(yè)的開端到20世紀(jì)50年代硬件的成熟伴隨著噴氣式飛機(jī)的發(fā)展，航空工業(yè)在這50年中變革著運(yùn)輸?shù)姆绞健?/p>

逆向工程包含幾個(gè)步驟：數(shù)據(jù)獲取，預(yù)加工（雜余濾除和融合），三角測(cè)量，后續(xù)提取，分割和曲面擬合及CAD/CAM/ CAE工具的應(yīng)用。

3 計(jì)算機(jī)輔助的逆向工程

逆向工程本身的出現(xiàn)時(shí)作為提供一個(gè)解決方式，這一解決方式主要用來提供備件來替換損壞或老化的且沒有技術(shù)信息的固件。如果在一種情況中，零件在初始中被進(jìn)口（沒有圖紙）或者圖紙被錯(cuò)放或遺失。再建工程或者逆向工程可以成為一種較低昂貴的選擇。相比于重新進(jìn)口而言，這一方式不僅可以用來快速的替換，也可以創(chuàng)造備件用來在很長(zhǎng)一段時(shí)間維持生產(chǎn)。基于電腦的表面模型在科學(xué)和工程領(lǐng)域都是必不可少的。比如，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)交通工具，諸如汽車和飛機(jī)，沒有CAD和模擬工具預(yù)測(cè)產(chǎn)品的行為的話將會(huì)很難進(jìn)行生產(chǎn)。點(diǎn)云獲取正常的進(jìn)行工作通過固定的掃描儀器，像是激光或者計(jì)算機(jī)斷層掃描儀。在進(jìn)行多次的掃描不同的邊或通過旋轉(zhuǎn)物體，個(gè)取樣點(diǎn)可以與單一的點(diǎn)云結(jié)合，在單一的點(diǎn)云中其表面需要被重建。作為結(jié)果適合的重建方法是基于重復(fù)地應(yīng)用如下幾個(gè)步驟：

開始于一個(gè)初始的邊界點(diǎn)，這一點(diǎn)封閉原始的電云，分層的空間分割通過細(xì)分每一個(gè)點(diǎn)為分點(diǎn)而在創(chuàng)造一個(gè)點(diǎn)集，生成的網(wǎng)格通過細(xì)分為粗糙的網(wǎng)格和調(diào)節(jié)在那些被移除點(diǎn)的位置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而獲得最終的數(shù)據(jù)繪圖局部的約束網(wǎng)格于點(diǎn)云中，所有的頂點(diǎn)都被投射于單個(gè)點(diǎn)定義的局部切面中。

逆向工程已經(jīng)被定義為一種過程，這一過程為了獲取一個(gè)備用組件的技術(shù)信息。計(jì)算機(jī)輔助的逆向工程依賴于計(jì)算機(jī)輔助工具為了獲得零件的幾何形狀，辨別其材質(zhì)和提升其設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)計(jì)劃和物理實(shí)現(xiàn)。一個(gè)零件實(shí)體建模的支柱就是計(jì)算機(jī)輔助的逆向工程。這一模型數(shù)據(jù)可以被輸出和輸入進(jìn)CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)的格式諸如IGES，STL，VDA和STEP。

4 特征為基礎(chǔ)的逆向工程

特征為基礎(chǔ)的逆向工程很適合采用逆向工程生產(chǎn)機(jī)械零件。而且征式模型對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)也是十分理想的，因?yàn)楫a(chǎn)出的模型可以被很容易的修改。特征匹配和基于制約的方法可以被描述為基于知識(shí)的方法。作為研究者，探索設(shè)計(jì)的意圖和存在于模型中用于工業(yè)使用的特征關(guān)系是十分重要的，因?yàn)檫@可以證實(shí)一些使得物品過時(shí)的屬性。這些信息可以被描述為幾何約束。

5 逆向工程的基本步驟

正如之前指出的，逆向工程的主要目的是將離散的信息機(jī)轉(zhuǎn)化為分段平整的、連續(xù)的模型。在這一部分，這一轉(zhuǎn)變的不同方面會(huì)被描述出來。離散的數(shù)據(jù)集通常會(huì)包含著（X；Y；Z）的經(jīng)過測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)值。整理數(shù)據(jù)需要遵循以下的步驟。

5.1 數(shù)字化實(shí)體建模

逆向工程的首要目標(biāo)就是數(shù)字化實(shí)體建模。數(shù)字化是獲取實(shí)體模型信息以及轉(zhuǎn)化其為數(shù)字形式的一個(gè)過程。它可以通過利用接觸式探索技術(shù)或非接觸式感應(yīng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在表二中展示了在接觸式和非接觸式方法中獲取3D數(shù)據(jù)的一些分類。在進(jìn)行多次的掃描不同的邊或通過旋轉(zhuǎn)物體，各取樣點(diǎn)可以與單一的點(diǎn)云結(jié)合，在單一的點(diǎn)云中其表面需要被重建。作為結(jié)果適合的重建方法是基于重復(fù)的應(yīng)用如下幾個(gè)步驟：

開始于一個(gè)初始的邊界點(diǎn)，這一點(diǎn)封閉原始的電云，分層的空間分割通過細(xì)分每一個(gè)點(diǎn)為分點(diǎn)而在創(chuàng)造一個(gè)點(diǎn)集生成的網(wǎng)格通過細(xì)分較為粗糙的網(wǎng)格而獲得最終的數(shù)據(jù)繪圖局部的約束網(wǎng)格于點(diǎn)云中。所有的頂點(diǎn)都被投射于被單個(gè)點(diǎn)定義的局部切面中物體表面獲取的目的。

測(cè)量點(diǎn)群和標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)的數(shù)據(jù)被用于2個(gè)方式：（1）分析自身和其他的產(chǎn)品（設(shè)計(jì)）。（2）確認(rèn)自身產(chǎn)品的準(zhǔn)確性（檢查）。

設(shè)計(jì)的木筆更廣泛地分為：（1）產(chǎn)生一個(gè)3D的實(shí)物模型以縮短開發(fā)周期。（2）3D數(shù)據(jù)不存在，使用CAD數(shù)據(jù)來執(zhí)行分析。

檢查的目的更廣泛的方面分為：（1）檢查物體維度。（2）確認(rèn)變形材料的數(shù)量。（3）基于結(jié)果定義物體的壽命。

為了逆向工程使用接觸式及非接觸式方法的信息獲取分類如圖1所示。

5.2 后加工

基于過去對(duì)于一些波動(dòng)平滑理論的研究，網(wǎng)格的頂點(diǎn)會(huì)被重新復(fù)位通過計(jì)算直接連接的相鄰頂點(diǎn)的幾何中心。為了提升產(chǎn)生的網(wǎng)格的質(zhì)量，可以執(zhí)行一個(gè)附加的優(yōu)化措施。在一個(gè)連續(xù)的步驟中，這些幾何中心可以再次在對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)集的切面中被預(yù)計(jì)來定義理論。通常來說網(wǎng)格優(yōu)化是一個(gè)重復(fù)的過程，會(huì)應(yīng)用許多次以獲得最大可能的準(zhǔn)確度在表面質(zhì)量方面，而表面質(zhì)量對(duì)于3D CAD模型是很有幫助的。

5.3 三角測(cè)量

基于過去對(duì)于在逆向工程環(huán)境下的三角測(cè)量的研究，對(duì)于三角測(cè)量的數(shù)學(xué)理論和計(jì)算算法已經(jīng)發(fā)展完全。擁有充分幾何信息的多邊形網(wǎng)格可以被有效率的創(chuàng)造從而得到給定的一組數(shù)據(jù)點(diǎn)。三角測(cè)量中基礎(chǔ)的理論是狄洛尼三角剖分。除了狄洛尼三角剖分，還有許多的數(shù)學(xué)算法用來三角測(cè)量，包括移動(dòng)立方體法、泊松表面重建和滑動(dòng)最小二乘法等等。然后，一些三角測(cè)量算法可能不能完美地切合每個(gè)要求。他們可能在產(chǎn)生網(wǎng)格的同時(shí)產(chǎn)生復(fù)雜的三角形計(jì)數(shù)。而且，這些算法會(huì)潛在的暗示形狀的拓?fù)鋵⒒赜扇菧y(cè)量重塑，并且測(cè)量的方法也會(huì)影響結(jié)果和穩(wěn)定性。

5.4 分割

在逆向工程中最重要的一步就是網(wǎng)格切割。分割是一個(gè)復(fù)雜的過程，在這一過程中原始的數(shù)據(jù)是每一個(gè)邏輯上單獨(dú)屬于原始表面的子集。一些更有效率非迭代的分割方法正在使用，他們被叫做直接切割方法。通常而言，切割過程會(huì)包含一個(gè)關(guān)于一階和二階表面性質(zhì)的預(yù)估。一階分割，基于正常的向量，提供一個(gè)初始的表層分割，并且探測(cè)鋒利的邊緣和平緩或高度彎曲的區(qū)域。二階分割會(huì)根據(jù)主要的彎曲對(duì)于表面進(jìn)行分割，并且提供一個(gè)充分的基礎(chǔ)以用來細(xì)分簡(jiǎn)單的代數(shù)表面。大多數(shù)的分割算法均會(huì)伴隨著曲面擬合，曲面擬合適合每個(gè)分段區(qū)域的最佳的原始表面。詳細(xì)說明表面類型的層級(jí)根據(jù)幾何復(fù)雜性的順序還是十分重要的。

正如之前討論的那樣，基于特征的分割提供了一個(gè)充分的基礎(chǔ)以劃分主要和次要幾何或參數(shù)和非參數(shù)幾何，這些幾何被展示在圖2中。代數(shù)曲面，諸如位面、球體、圓柱、圓錐和圓環(huán)，都是很容易適應(yīng)于這些區(qū)域。

包括原始的無參數(shù)的有著簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的曲面，像是掃描曲面、旋轉(zhuǎn)曲面、擠壓曲面和管道曲面，都是直接與CAD模型契合的。

5.5 實(shí)體建模

實(shí)體建模很可能是用于工程定形的流程以支持使用任何建模軟件的逆向工程，建模軟件諸如CAD，CATIA，Pro/E等等。實(shí)體建模的兩種基本的表示是邊界表示法和特征表示法。有許多方法可以被倡導(dǎo)，比如可以從輪廓曲線的點(diǎn)云和三角網(wǎng)中建立邊界表達(dá)模型 （Várady et al.，1998）。也可以通過連接花鍵方式中的兩點(diǎn)來創(chuàng)建。有一些則專注于生產(chǎn)特征識(shí)別以為了流程計(jì)劃的用途。然而，這些方法均不可以自動(dòng)化操作建設(shè)流程和形成完全的參數(shù)化模型。

5.6 實(shí)體模型輸出

在使用逆向工程來重建3D模型時(shí)，軟件將必須輸入常見的CAD包裹以支持工程方面的設(shè)計(jì)。常見的實(shí)體模型交換，通過IGES或STEP和STL標(biāo)準(zhǔn)，是不充分的，因?yàn)閰?shù)信息、草圖約束和維度（包括實(shí)物特征以及特征樹）在交換中是不完全相同的。直接的實(shí)物模型可以被輸入和輸出通過一些軟件，諸如使用CAD/CAE/CAM系統(tǒng)中Rapidform XOR3的liveTransfer？模塊，這一模塊采用了一些標(biāo)準(zhǔn)的格式諸如IGES，STL，VDA和STEP。

6 逆向工程的應(yīng)用

逆向工程是一個(gè)多學(xué)科的方法并且可以幾乎應(yīng)用于廣泛的工業(yè)領(lǐng)域。其主要應(yīng)用的方面是重塑部分的原始零件的復(fù)制品或追溯發(fā)生的事件。它被廣泛的應(yīng)用于軟件和信息科技行業(yè)，從軟件解碼開發(fā)到網(wǎng)絡(luò)連接安全。每年成以千記得零件通過采用逆向工程被重造以滿足價(jià)值億萬美元的零部件市場(chǎng)需求。數(shù)字技術(shù)的發(fā)明徹底變革了它。對(duì)比與飛機(jī)和汽車制造業(yè)，在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)設(shè)備領(lǐng)域的數(shù)字逆向工程的應(yīng)用已經(jīng)面臨了更多的挑戰(zhàn)并且以緩和的節(jié)奏進(jìn)行革新。然而，對(duì)于逆向工程應(yīng)用的一些簡(jiǎn)要的描述已經(jīng)被展示如下。

6.1 在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域

工程這一名詞通常被用于描述一種創(chuàng)造有益事物的行為。逆向工程已經(jīng)與復(fù)制原始設(shè)計(jì)為了競(jìng)爭(zhēng)目的行為相關(guān)。然而在當(dāng)今的制造業(yè)，逆向工程的概念已經(jīng)被合法的應(yīng)用于生產(chǎn)新產(chǎn)品或舊產(chǎn)品的變種。逆向這一名詞來源于在數(shù)字和物質(zhì)世界的雙向數(shù)據(jù)交流這一概念。在早期計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（CAD）、工程（CAE）和制造（CAM）的主要推力在于創(chuàng)造一個(gè)在計(jì)算機(jī)中的產(chǎn)品，并且將其成績(jī)帶到真實(shí)世界中。CAD可以完全定義一個(gè)簡(jiǎn)單的零件或者一個(gè)復(fù)雜的裝配來源于其尺寸的性狀。CAE組件，諸如結(jié)構(gòu)或熱量分析軟件，可以獲得數(shù)字的表示并進(jìn)行分析。CAM軟件可以提出相同的電子定義并且創(chuàng)造途徑去切割工具以為了部分的生產(chǎn)。今天，逆向工程正在應(yīng)用于復(fù)雜的幾何機(jī)械零件的曲面生成，像是渦輪葉片、齒輪、汽車引擎、套管和攜帶式配套工具等。

6.2 在航空航天以及制船工程方面

逆向工程方法已經(jīng)被播音和其他的航空公司所應(yīng)用以用來創(chuàng)造備用零件的數(shù)字庫(kù)存或者將舊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到如今的CAD環(huán)境中。逆向工程方法與CAD工具一樣，是一個(gè)關(guān)鍵的方法在未來的航空飛機(jī)制造領(lǐng)域?，F(xiàn)代的航空航天領(lǐng)域使用逆向工程為了一下幾點(diǎn)關(guān)鍵原因：（1）為了創(chuàng)造沒有CAD模型的傳統(tǒng)零件。（2）為克服數(shù)據(jù)交換中的障礙。（3）為解決問題，這些問題產(chǎn)生于CAD主模型和實(shí)際工具或完工零件之間的差異。（4）為確認(rèn)計(jì)算機(jī)輔助檢查和機(jī)械分析的質(zhì)量和表現(xiàn)。

CAD的一個(gè)工業(yè)應(yīng)用可以展現(xiàn)出來，這一應(yīng)用關(guān)于測(cè)量和再造一個(gè)完全船體和船的部件，而這些工作也造船和船舶維修領(lǐng)域的周期性任務(wù)。為了選擇最合適的測(cè)量方法，許多測(cè)量物體的典型方面，像是它的大小、可能的障礙和不良的便攜性，已經(jīng)被考慮在其中。

6.3 軟件行業(yè)

軟件的逆向工程師關(guān)于分析一個(gè)已有的系統(tǒng)。IEEE對(duì)于軟件維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)中定義逆向工程為“一個(gè)流程從源代碼中提取軟件系統(tǒng)的信息”。通常而言，逆向工程活動(dòng)的輸出是綜合的，是高級(jí)別的信息這些信息可以使得逆向工程更好的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行推力并且進(jìn)化為更高效的方法。

逆向工程的過程通常開始于降低信息的級(jí)別，諸如系統(tǒng)的源代碼，可能也會(huì)包括系統(tǒng)的構(gòu)建環(huán)境。當(dāng)執(zhí)行一個(gè)逆向工程活動(dòng)，逆向工程會(huì)遵循一些固定的流程。逆向工程過程的工作流程可以拆解為子任務(wù)的提取、分析和可視化。在實(shí)踐過程中，流程中會(huì)有一些因素使得流程變得特別而又富有創(chuàng)造性。

6.4 在醫(yī)藥生命科學(xué)領(lǐng)域

人身體的工程創(chuàng)新已經(jīng)在生命科學(xué)和醫(yī)藥設(shè)備領(lǐng)域?qū)⒛嫦蚬こ讨糜谝粋€(gè)獨(dú)特的位置，特別是將人造的部件防御人體中。應(yīng)用于掃描影像技術(shù)伴隨著逆向工程中有限單元的分析幫助了工程師精確的定制固定的模型以最好的適應(yīng)個(gè)體患者。逆向工程的基線要求是在在生命科學(xué)和醫(yī)藥設(shè)備領(lǐng)域中更好的服務(wù)于存活的細(xì)胞、人體器官以及之前的交流的生理特征。工程師和科學(xué)家經(jīng)常會(huì)在逆向方向中工作，而且可以通過觀察身體行為和生物因素中得到幫助。這其中已經(jīng)蘊(yùn)含著某種機(jī)制可以復(fù)制這些生理功能。

在逆向工程的環(huán)境中，工程師首先必須辨別一些材質(zhì)，這些材質(zhì)可以被用作醫(yī)學(xué)器械中的零件和特征，之后幾何形式的零件可以精確的數(shù)字化，且制造過程可以被證實(shí)。逆向工程被用于許多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：牙醫(yī)業(yè)、助聽器、人造膝蓋和心臟等。

基于這些要求，高級(jí)計(jì)算機(jī)輔助的生產(chǎn)流程可以創(chuàng)建定制化的牙齒矯正儀器為了個(gè)體的病人。逆向工程應(yīng)用的提升也會(huì)很大程度上以來技術(shù)的變革以使得無線助聽器更小、更精致并且以更低的成本實(shí)現(xiàn)更高效。逆向工程在矯形術(shù)中的應(yīng)用，諸如膝蓋、臀部、脊柱中的應(yīng)用，也是非常有挑戰(zhàn)性的，一部分也是因?yàn)檫@些部分復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式。

這些由逆向工程生產(chǎn)的人工移植的身體部位的合適的設(shè)計(jì)功能需要他們?cè)诰S持多軸運(yùn)動(dòng)的壓力的同時(shí)有著不同模式和重量的負(fù)載。

在飛機(jī)、汽車和其他交通工具產(chǎn)業(yè)發(fā)生安全事故的前后，逆向工程也可以用來重構(gòu)時(shí)間的情況。其他的領(lǐng)域，諸如在時(shí)尚設(shè)計(jì)、化學(xué)工業(yè)、建筑和土木工程方面以及畫廊，也可以發(fā)現(xiàn)許多逆向工程的應(yīng)用。

7 現(xiàn)代數(shù)字化系統(tǒng)的簡(jiǎn)要回顧

數(shù)字化和掃描的概念經(jīng)常被用來描述相同的流程。就傳統(tǒng)而言，數(shù)字化這一名詞主要講的是使用接觸觸發(fā)式貪占或者光學(xué)技術(shù)來從表面獲取不連續(xù)的點(diǎn)的一種過程。這樣的數(shù)字點(diǎn)云可以被從不同的數(shù)字化方式獲取。

原始的設(shè)備制造商和供應(yīng)商的區(qū)別在當(dāng)今動(dòng)態(tài)和競(jìng)爭(zhēng)的全球市場(chǎng)中已經(jīng)日漸模糊。逆向工程的應(yīng)用和備用零件的再生產(chǎn)以為了維修和替換老化零件已經(jīng)對(duì)于航空工業(yè)以及他們的顧客有著顯著的經(jīng)濟(jì)影響。在20世紀(jì)70年代，由于對(duì)于高度戒備行業(yè)所有權(quán)信息解碼的需求，逆向工程在高壓的渦輪頁(yè)片的應(yīng)用成為了一個(gè)挑戰(zhàn)。在20世紀(jì)初，技術(shù)創(chuàng)新已經(jīng)改變了逆向工程的流程，而且實(shí)施逆向工程也被更廣泛的接受。逆向工程零件的生產(chǎn)的確需要完全的對(duì)于工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程進(jìn)行重塑。為了獲取精確的幾何信息為零件市場(chǎng)的汽車零件，許多公司也訴諸于數(shù)字掃描和逆向工程技術(shù)。它提供了各種各樣的汽車零件，包括阻流板、腳踏板、防撞墊和輪罩。公司并不會(huì)總能利用裝備生產(chǎn)商的原始CAD數(shù)據(jù)，這一部分也是因?yàn)橥旯さ牧慵?huì)與CAD數(shù)據(jù)有輕微的不同。

汽車零件協(xié)會(huì)鼓勵(lì)在市場(chǎng)上價(jià)格和質(zhì)量的競(jìng)爭(zhēng)，這也導(dǎo)致了顧客的預(yù)算下降的同時(shí)仍想要保持零件的質(zhì)量。其中逆向工程廣泛被引用的在軍隊(duì)中的案例就是蘇聯(lián)的Tupolve Tu-4（Bull）轟炸機(jī)。在二戰(zhàn)期間，3個(gè)被戰(zhàn)斗損毀的美國(guó)B-29超級(jí)空中戰(zhàn)斗機(jī)在向日本投彈之后再蘇聯(lián)進(jìn)行緊急迫降。在當(dāng)時(shí)逆向工程項(xiàng)目并不是非常的成功。比如，在2003年12月15日，復(fù)制1903年萊特兄弟的飛機(jī)在嘗試起飛后陷入了泥潭。這個(gè)不幸的飛行嘗試給逆向工程帶來了另一危險(xiǎn)的因素。即便如此，這也生產(chǎn)出看似與原件相同的復(fù)制品，而逆向工程的零件的操作性也依賴于運(yùn)行的環(huán)境。一個(gè)成功的逆向工程的項(xiàng)目需要對(duì)小圖的細(xì)節(jié)和測(cè)量的準(zhǔn)確性予以充分重視，而且對(duì)原件的功能性也要有充分的理解。

8 結(jié)語(yǔ)

逆向工程的基礎(chǔ)原則和基本限制在大多數(shù)工業(yè)中是相似的。逆向工程的一般實(shí)踐，諸如信息搜集、微觀的詳細(xì)分析、建模、原型設(shè)計(jì)、性能評(píng)估和規(guī)則執(zhí)行，在所有工業(yè)中的原則都是類似的。這些努力的成果也同樣會(huì)經(jīng)受一些現(xiàn)代科技的通用限制。然而一些特定的方法論在不同的領(lǐng)域也有很大的不同。

由CAD/CAE/CAM技術(shù)支持的機(jī)械設(shè)計(jì)使得得到了數(shù)控機(jī)床輔助的產(chǎn)品制造得以優(yōu)化，以在完整的客戶需求出現(xiàn)之前，管理高速的產(chǎn)品研發(fā)和正規(guī)生產(chǎn)。對(duì)于一些產(chǎn)品研發(fā)的過程，逆向工程（RE）使得產(chǎn)生了一些表面模型通過三維（3D）掃描技術(shù)，而后續(xù)這一方法也一定會(huì)促使在短時(shí)間內(nèi)重新設(shè)計(jì)和生產(chǎn)不同的零件（給汽車使用或給家用）和工具。逆向工程應(yīng)用的結(jié)果也會(huì)對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)提速而且很大程度上減少了生產(chǎn)的成本。

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Reverse Engineering Technology in Product Manufacturing Industry

Apurva Gautam（School of Mechanical and Electrical Engineering， Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， Nanjing 210016， China）

Abstract： Engineering plays an important role in a series of mechanical design and manufacturing. This technology has been widely regarded as an important technology in the design cycle of the product. In the conventional information manufacturing industry， the operating instructions are usually designed to begin with the design of the product and to terminate the operation of the machine， in order to convert the raw material into the final product. When the original drawings or documents can not be used or need to be analyzed and modified to enhance the design of the product， the use of any digital technology to copy an existing part of the CAD model is often very critical. In the reverse engineering method， the geometric model， the characteristic， the segmentation and the simple and the appearance of the own form of the CAD model are very important. This chapter shows the reverse engineering method and its application fields related to product design and development. The use of reverse engineering to design and research products will greatly reduce the cost of production cycle and product manufacturing industry.

Key words： reverse engineering； scanning technology； point cloud /STL data； CAD/CAM/CAE