反求工程技术介绍及其应用举例
1. 反求工程的概念
反求工程（逆向工程）是利用对实物测量的数据重新构造实物的计算机模型，然后利用CAD/CAE/CAM等计算机辅助技术进行分析、再设计、数控编程等操作，而后进行加工。反求工程现己发展为CAD/CAM中一个相对独立的范畴。通过实物模型产生CAD模型，可以使产品设计充分利用CAD技术的优势，并适应智能化、集成化的产品设计制造过程中的信息交换。实施反求工程可以充分发挥先进的测量设备的优越性，使其既可以作为CAD/CAM系统所需要的三维输入装置，又可以作为CAD/CAM系统处理后的误差检测评估装置，从而提高工业产品的设计，制造自动化程度，缩短产品的试制开发周期，降低生产成本。
将反求工程技术定义为没有工程图纸的情况下，对物体的物理模型进行测量，通过对测量信息的分析和处理来反求其CAD模型的过程。在这一意义下,反求工程可以定义为是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术和几何模型重建技术的总称。反求工程是综合性很强的术语，它是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对己有新产品进行解剖、深化和再创造，是对己有设计的设计，特别强调再创造是反求的灵魂。从工程应用的目的出发，将反求工程的研究领域拓宽到工艺、材料、原理等方面的反求，是广义上的反求。应该看到反求工程有其独特的共性技术和内容，还是一门新兴的交叉学科分支。现行产品中的各种复杂高新技术，在反求工程中都会遇到如何消化吸收并加以改进和提高。所以对于新兴技术的理解、消化和推广上，反求工程作用十分巨大。
现代人们通称的设计一般均指正向设计。它根据市场需要提出目标和技术要求，使设计意图变为产品。如何合理利用他人的设计思想，加快自身产品更新换代的能力，是在市场竞争日益激烈的今天站稳脚跟，持续发展的关键。实际上，在设计制造领域，任何产品的问世，包括创新、改进和仿制，都蕴含着对已有科学、技术的应用和借鉴改进。可以看出,反求思维在工程中的应用己源远流长，然而提出这种术语并作为一门学问去研究则出现于年代。反求工程是各国技术进步、发展，尤其是发展中国家迅速改变技术落后状况，提高综合设计、决策水平、制造水平,赶超世界先进水平的迅捷之路。战后日本工业恢复的需要使其首先对反求工程进行了较早的研究，日本提出“第一台引进,第二台国产化,第三台出口”的口号，用了近二十年时间迅速崛起成为世界经济强国就是一个生动的历史证明。
2. 反求工程的作用及应用领域
反求工程是近年来发展起来的消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法以及应用技术的组合，其主要目的是为了改善技术水平，提高生产率，增强经济竞争力。世界各国在经济技术发展中，应用反求工程消化吸收先进技术经验，给人们有益的启示。据统计，各国百分之七十以上的技术源于国外，反求工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大提高了生产率。因此研究反求工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高，具有重大的意义。
反求工程的应用领域大致可分为以下几种情况：
2.1在产品仿制中的应用
有时，拟合制作的产品没有原始的设计图档，而是由委托单位交付样品或型，请制作单位复制。传统的复制方法是用立体雕刻机或三轴仿形铣床以1:1的比例制作模具，再生产产品。这种方法属于模拟型复制，其缺点是无法建立工件尺寸图档，因而也无法用现有的CAD软件对其进行修改，故已渐为新型的数字化反求工程系统所取代。在这种情况下，在对零件原形进行三维反求的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据生成数控加工的NC代码，加工复制出一个相同的零件。
2.2在新产品设计中的应用
随着工业技术的发展以及经济的发展，消费者对产品的要求越来越高。为赢得市场竞争，不仅要求产品的功能先进，而且要求外形美观。而在造型中针对产品外形的美学设计，己不是传统训练下的机械工程师所能胜任的。一些具有美工背景的设计师们可利用技术构想创新的美观外形，再以手工方式塑造出模型，如木模、石膏模、粘土模、胶模、工程塑胶模、玻璃纤维模等，然后再以三维测量的方式建立曲面模型。在美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，而不采用在计算机屏幕上缩小比例的物体投视图的方法,此时需用反求工程的设计方法。
2.3在旧产品改进中的应用
在对旧产品改进时,有时并没有零件的CAD模型，因此需要利用反求工程技术建立产品的几何模型，然后再利用传统的CAD软件对原设计进行改进。当要设计
需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用反求工程的方法。比如航天航空领域,为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试如风洞实验等建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。
2.4在RPM（快速原型制造）中的应用
快速原型制造又称RP技术，是年代后期兴起的一种基于材料累加法的高新制造技术，被认为是近年来制造领域的一次重大突破。RPM综合了机械、CAD、数控、激光以及材料科学等各种技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，用以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研制周期。而以RP系统为基础的快速工装模具制造和快速精铸技术等则可实现零件的快速制造。
为应用该项技术，首先应该有产品的三维几何模型。尽管已经出现了许多成功的CAD三维软件，但运用这些软件建立一个复杂的零件模型，仍相当费时。有时工程界提供的是实物,需要由实物制造模具或作设计上的改进,因此在中经常利用反求工程技术来建立产品的几何模型。
此外,在计算机图形和动画、工艺美术和医疗康复工程等领域，也经常需要根据实物快速建立物体的三维几何模型。另一个重要的应用如修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等，此时不需要对整个零件原型进行复制，而是借助反求工程技术抽取零件原形的设计思想，指导新的设计这是由实物反求推理出设计思想的一种渐近过程。因此,反求工程技术在这些领域中也具有重要的应用价值。
3. 反求工程的一般步骤
反求工程一般可分为四个阶段：
（1）零件原形的数字化通常采用三坐标测量机（CMM）或激光扫描等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。
（2）从测量数据中提取零件原形的几何特征按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。
（3）零件原形CAD模型的重建将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型。
（4）重建CAD模型的检验与修正采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满对不满足要求者重复以上过程,直至达到零件的设计要求。
4. 反求工程应用举例
反求工程可用于汽车覆盖件及其模具的设计和制造。将汽车覆盖件的实物模型，经过三坐标数据扫描，进行计算机3D几何模型的重建是整个汽车工业设计与生产过程中最重要的环节之一。根据反求工程所生成的计算机3D模型，才能利用现有的先进的CAD/CAM 技术，进行新车型的产品设计、工艺设计、模具设计、模具制造及质量检验等后续生产过程。
在数据采集方面，随着激光技术的发展，在扫描中充分运用激光定向性好的特性，采用非接触式测量方法，如光栅法、全息法、激光三角法等，可以有效地克服机械接触式测量如三坐标测量仪中探测杆的补偿和刚性等因素所引起的系统误差，使反求工程得到了新的发展 。在几何建模方面，建模过程也就是对采集的数据进行处理的过程。传统的反求工程方法是将测量的点云数据，经过必要的编辑、多模型自动匹配、偏置、滤波、排序等优化处理，人工或半人工寻找结构特征线，根据结构线及域内点云拟合出各局部的曲面CAD模型。不仅效 率低，而且
几何模型的精度与曲面的光顺之间相互矛盾的关系一直无法解决。Delcam公司经过多年的研究提出局部反求技术的概念,认为反求（反求）工程的基本原则是模型的保型性。所生成的CAD模型与实物的主要部分应该是一致的。如果需要变化模型，一定是局部区域的变化。在此基础上推出反求工程软件CopyCAD及相关Power-SHAPE、PowerMILL等一系列软件，该系列软件可方便快捷地生成STL模型，并通过局部特征添加、调整、工艺补充部分及拉延筋设计等，生成覆盖件拉延模具的模型。还能自动生成粗加工、半精加工、精加工的数控程序，完成模具的数控加工，从而大大提高了反求工程的处理效率。
以长安汽车公司为例，其汽车设计全部是在意大利都灵完成，随后将汽车及其各个零部件模型运回国内，采用反求工程的方法，生成CAD模型，大大缩短了从设计到生成的周期，实现了国外设计—国内制造的结合。
5.展望
反求工程的研究已经日益引人注目，在数据处理、曲面片拟合、几何特征识别、商用专业软件和坐标测量机的研究开发上已经取得了很大的成绩。但是在实际应用当中，整个过程仍需要大量的人机交互工作，操作者的经验和素质直接影响着产品的质量，自动重建曲面的光顺性难以保证，下面一些关键技术将是反求工程主要发展方面：
（1）数据测量方面：发展面向反求工程的专用测量设备，能够高速、高精度的实现产品几何形状的三维数字化，并能进行自动测量和规划路径；
（2）数据的预处理方面：针对不同种类的测量数据，开发研究一种通用的数据处理软件，完善改进目前的数据处理算法；
（3）曲面拟合：能够控制曲面的光顺性和能够进行光滑拼接；
（4）集成技术：发展包括测量技术、模型重建技术、基于网络的协同设计和
数字化制造技术等的反求工程技术。
反求工程技术介绍及其应用举例
1. 反求工程的概念
反求工程（逆向工程）是利用对实物测量的数据重新构造实物的计算机模型，然后利用CAD/CAE/CAM等计算机辅助技术进行分析、再设计、数控编程等操作，而后进行加工。反求工程现己发展为CAD/CAM中一个相对独立的范畴。通过实物模型产生CAD模型，可以使产品设计充分利用CAD技术的优势，并适应智能化、集成化的产品设计制造过程中的信息交换。实施反求工程可以充分发挥先进的测量设备的优越性，使其既可以作为CAD/CAM系统所需要的三维输入装置，又可以作为CAD/CAM系统处理后的误差检测评估装置，从而提高工业产品的设计，制造自动化程度，缩短产品的试制开发周期，降低生产成本。
将反求工程技术定义为没有工程图纸的情况下，对物体的物理模型进行测量，通过对测量信息的分析和处理来反求其CAD模型的过程。在这一意义下,反求工程可以定义为是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术和几何模型重建技术的总称。反求工程是综合性很强的术语，它是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对己有新产品进行解剖、深化和再创造，是对己有设计的设计，特别强调再创造是反求的灵魂。从工程应用的目的出发，将反求工程的研究领域拓宽到工艺、材料、原理等方面的反求，是广义上的反求。应该看到反求工程有其独特的共性技术和内容，还是一门新兴的交叉学科分支。现行产品中的各种复杂高新技术，在反求工程中都会遇到如何消化吸收并加以改进和提高。所以对于新兴技术的理解、消化和推广上，反求工程作用十分巨大。
现代人们通称的设计一般均指正向设计。它根据市场需要提出目标和技术要求，使设计意图变为产品。如何合理利用他人的设计思想，加快自身产品更新换代的能力，是在市场竞争日益激烈的今天站稳脚跟，持续发展的关键。实际上，在设计制造领域，任何产品的问世，包括创新、改进和仿制，都蕴含着对已有科学、技术的应用和借鉴改进。可以看出,反求思维在工程中的应用己源远流长，然而提出这种术语并作为一门学问去研究则出现于年代。反求工程是各国技术进步、发展，尤其是发展中国家迅速改变技术落后状况，提高综合设计、决策水平、制造水平,赶超世界先进水平的迅捷之路。战后日本工业恢复的需要使其首先对反求工程进行了较早的研究，日本提出“第一台引进,第二台国产化,第三台出口”的口号，用了近二十年时间迅速崛起成为世界经济强国就是一个生动的历史证明。
2. 反求工程的作用及应用领域
反求工程是近年来发展起来的消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法以及应用技术的组合，其主要目的是为了改善技术水平，提高生产率，增强经济竞争力。世界各国在经济技术发展中，应用反求工程消化吸收先进技术经验，给人们有益的启示。据统计，各国百分之七十以上的技术源于国外，反求工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大提高了生产率。因此研究反求工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高，具有重大的意义。
反求工程的应用领域大致可分为以下几种情况：
2.1在产品仿制中的应用
有时，拟合制作的产品没有原始的设计图档，而是由委托单位交付样品或型，请制作单位复制。传统的复制方法是用立体雕刻机或三轴仿形铣床以1:1的比例制作模具，再生产产品。这种方法属于模拟型复制，其缺点是无法建立工件尺寸图档，因而也无法用现有的CAD软件对其进行修改，故已渐为新型的数字化反求工程系统所取代。在这种情况下，在对零件原形进行三维反求的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据生成数控加工的NC代码，加工复制出一个相同的零件。
2.2在新产品设计中的应用
随着工业技术的发展以及经济的发展，消费者对产品的要求越来越高。为赢得市场竞争，不仅要求产品的功能先进，而且要求外形美观。而在造型中针对产品外形的美学设计，己不是传统训练下的机械工程师所能胜任的。一些具有美工背景的设计师们可利用技术构想创新的美观外形，再以手工方式塑造出模型，如木模、石膏模、粘土模、胶模、工程塑胶模、玻璃纤维模等，然后再以三维测量的方式建立曲面模型。在美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，而不采用在计算机屏幕上缩小比例的物体投视图的方法,此时需用反求工程的设计方法。
2.3在旧产品改进中的应用
在对旧产品改进时,有时并没有零件的CAD模型，因此需要利用反求工程技术建立产品的几何模型，然后再利用传统的CAD软件对原设计进行改进。当要设计
需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用反求工程的方法。比如航天航空领域,为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试如风洞实验等建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。
2.4在RPM（快速原型制造）中的应用
快速原型制造又称RP技术，是年代后期兴起的一种基于材料累加法的高新制造技术，被认为是近年来制造领域的一次重大突破。RPM综合了机械、CAD、数控、激光以及材料科学等各种技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，用以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研制周期。而以RP系统为基础的快速工装模具制造和快速精铸技术等则可实现零件的快速制造。
为应用该项技术，首先应该有产品的三维几何模型。尽管已经出现了许多成功的CAD三维软件，但运用这些软件建立一个复杂的零件模型，仍相当费时。有时工程界提供的是实物,需要由实物制造模具或作设计上的改进,因此在中经常利用反求工程技术来建立产品的几何模型。
此外,在计算机图形和动画、工艺美术和医疗康复工程等领域，也经常需要根据实物快速建立物体的三维几何模型。另一个重要的应用如修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等，此时不需要对整个零件原型进行复制，而是借助反求工程技术抽取零件原形的设计思想，指导新的设计这是由实物反求推理出设计思想的一种渐近过程。因此,反求工程技术在这些领域中也具有重要的应用价值。
3. 反求工程的一般步骤
反求工程一般可分为四个阶段：
（1）零件原形的数字化通常采用三坐标测量机（CMM）或激光扫描等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。
（2）从测量数据中提取零件原形的几何特征按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。
（3）零件原形CAD模型的重建将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型。
（4）重建CAD模型的检验与修正采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满对不满足要求者重复以上过程,直至达到零件的设计要求。
4. 反求工程应用举例
反求工程可用于汽车覆盖件及其模具的设计和制造。将汽车覆盖件的实物模型，经过三坐标数据扫描，进行计算机3D几何模型的重建是整个汽车工业设计与生产过程中最重要的环节之一。根据反求工程所生成的计算机3D模型，才能利用现有的先进的CAD/CAM 技术，进行新车型的产品设计、工艺设计、模具设计、模具制造及质量检验等后续生产过程。
在数据采集方面，随着激光技术的发展，在扫描中充分运用激光定向性好的特性，采用非接触式测量方法，如光栅法、全息法、激光三角法等，可以有效地克服机械接触式测量如三坐标测量仪中探测杆的补偿和刚性等因素所引起的系统误差，使反求工程得到了新的发展 。在几何建模方面，建模过程也就是对采集的数据进行处理的过程。传统的反求工程方法是将测量的点云数据，经过必要的编辑、多模型自动匹配、偏置、滤波、排序等优化处理，人工或半人工寻找结构特征线，根据结构线及域内点云拟合出各局部的曲面CAD模型。不仅效 率低，而且
几何模型的精度与曲面的光顺之间相互矛盾的关系一直无法解决。Delcam公司经过多年的研究提出局部反求技术的概念,认为反求（反求）工程的基本原则是模型的保型性。所生成的CAD模型与实物的主要部分应该是一致的。如果需要变化模型，一定是局部区域的变化。在此基础上推出反求工程软件CopyCAD及相关Power-SHAPE、PowerMILL等一系列软件，该系列软件可方便快捷地生成STL模型，并通过局部特征添加、调整、工艺补充部分及拉延筋设计等，生成覆盖件拉延模具的模型。还能自动生成粗加工、半精加工、精加工的数控程序，完成模具的数控加工，从而大大提高了反求工程的处理效率。
以长安汽车公司为例，其汽车设计全部是在意大利都灵完成，随后将汽车及其各个零部件模型运回国内，采用反求工程的方法，生成CAD模型，大大缩短了从设计到生成的周期，实现了国外设计—国内制造的结合。
5.展望
反求工程的研究已经日益引人注目，在数据处理、曲面片拟合、几何特征识别、商用专业软件和坐标测量机的研究开发上已经取得了很大的成绩。但是在实际应用当中，整个过程仍需要大量的人机交互工作，操作者的经验和素质直接影响着产品的质量，自动重建曲面的光顺性难以保证，下面一些关键技术将是反求工程主要发展方面：
（1）数据测量方面：发展面向反求工程的专用测量设备，能够高速、高精度的实现产品几何形状的三维数字化，并能进行自动测量和规划路径；
（2）数据的预处理方面：针对不同种类的测量数据，开发研究一种通用的数据处理软件，完善改进目前的数据处理算法；
（3）曲面拟合：能够控制曲面的光顺性和能够进行光滑拼接；
（4）集成技术：发展包括测量技术、模型重建技术、基于网络的协同设计和
数字化制造技术等的反求工程技术。