由于市場競爭的原因，企業常常會利用已有的產品來進行模仿設計，這種過程可以大大加快產品的研發速度，尤其對于復雜曲面的物件來說，經濟效益更是明顯。逆向技術即是在這種背景下發展起來的，模具逆向工程技術是利用計算機輔助測量技術與CAD/CAM技術，實現實物測量一幾何建模一曲面加工一體化，利用散亂的掃描數據重構曲面的CAD模型也是逆向技術的一個研究熱點，利用逆向技術實現模具的設計與制造可以實現產品從無到有的一個過程，本文以一個常見的工業產品奶勺為例，對其進行數據采集，數據分析處理，模型重構，最后實現奶勺模具的設計與制造。
1 順向工程與逆向工程設計
在工程技術人員的一般概念中，產品設計過程是一個從無到有的過程：設計人員首先構思產品的外形、性能和大致的技術參數等，然后利用CAD技術建立產品的三維數字化模型，最終將這個模型轉入制造流程，完成產品的整個設計制造周期。這樣的產品設計過程可以稱之為“正向設計”，又稱“順向工程設計”。
逆向工程(Reverse Engineering)也稱“反求工程”，是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據測量數據通過三維幾何建模方法重構實物的CAD模型，從而實現產品設計或制造的過程。
圖1所示為制作塑料產品(奶勺)模具的逆向設計流程圖：針對現有樣品或模型(圖2)，利用3D數字化測量方法準確、快速地量取工件的表面點數據或輪廓線條，并加以曲面的創建、編輯和修改后，傳送至CAD/CAM系統，再將CAM系統生成的NC加工刀具路徑傳送至CNC加工出所需的模具。
從塑料產品(奶勺)模具逆向設計流程圖可以看出，逆向工程首先必須使用精密的測量系統將樣品的三維輪廓尺寸快速的測量出來，然后依據得到的數據創建曲面造型及加工。故建立一套完整的逆向工程系統，需要下列基本配置：測量機(又稱抄數機);點群數據處理軟件，即逆向工程軟件;CAD/CAM/CAE軟件;CNC機床;塑料射出成型機或其它成型設備。
常用的測量機有：機械接觸式坐標測量機，它是通過監測測頭與實物的接觸情況獲取坐標數據，其測量原理及過程比較簡單、方便，成本又低，目前應用較為廣泛。三維激光掃描機，它是由激光掃描實物，同時由攝像機錄下光束與實物接觸部位的一種非接觸式抄數機，它具有測量速度快，可測量柔軟物體，不會損壞工件表面等優點，但測量精度較低，多用于自由曲面的立體造型。光學坐標測量機，它是通過光源照射實物，利用干涉條紋技術計算實物坐標數據的一種測量設備。
通常所說的逆向工程軟件，是專指用于進行點云數據的噪聲濾除、補點、內插補、細線化、曲線建構、曲面構建、曲面修改等操作的軟件。目前，被全球公認的四大逆向工程軟件有：(1)美國EDS公司出品的逆向工程軟件Image Ware，作為NX外掛的逆向工程軟件包，具有強大的測量數據處理、曲面造型、誤差檢測等功能，正被廣泛應用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件等設計與制造領域。(2)美國Raindro(雨滴)公司出品的逆向工程和三維檢測軟件Geomagic Studio，可輕易地從掃描所得的點云數據創建出完美的多邊形模型和網格，并可自動轉換為NURBS曲面。(3)英國DELCAM公司開發的系列CAD產品的集成模塊CopyCAD，該軟件為來自數字化數據的CAD曲面的產生提供了復雜的工具，能將處理的數據無縫地延續到設計制造階段。(4)韓國INUS公司出品的Rapid Form軟件，主要用于處理測量、掃描數據的曲面建模以及基于CT數據的醫療圖象建模，還可以完成藝術品的測量建模以及高級圖形生成。除此以外，逆向工程應用軟件還包含一些主流的CAD/CAM軟件，如CATIA，Strim，Unigraph-ICS，Pro/Engineering，Cimatron和Solidworks等，塑料產品(奶勺)模具逆向設計研究，就是基于Pro/E技術的反求設計研究。
3 數據處理與樣件表面數字化
3.1 基本思想
逆向工程設計中，在構建產品的曲面之前，往往是先進行測量區域的劃分，將樣品劃分成多個2D斷面，接著利用三坐標測量機進行每一個2D斷面的點數據測量，獲取掃描點。將點數據轉入逆向工程應用軟件，來創建型曲線，再利用型曲線創建曲面。
3.2 點數據的獲取與處理
“奶勺”樣品模型，是一個左右結構對稱產品，可只測量“奶勺”的對稱半邊，為了對“奶勺”進行連續測量時，有統一參照系統，應首先在模型上確定可作為基準的特征。
經過分析，奶勺表面絕大部分是曲面結構，但左右結構對稱，上下結構只在勺柄部分有對稱的傾向，因此在勺柄的中間位置確定中分面作為測量基準，如圖3所示“前”面位置。獲得相應的點數據如圖4所示，然后將測量得到的數據轉換為Pro/E能識別的數據格式，如*.IGS或*.IBL等格式，再轉入Pro/E軟件中，創建和修改型曲線，最后再對三維數字模型做鏡像處理。
4.1 輸入原始數據
根據掃描點的稀疏程度和點文件格式的不同，掃描點數據可分為高密度數據和低密度數據。
利用Pro/E3.0軟件的掃描工具環境中的獨立幾何可從原始數據創建期望的形狀。在掃描工具環境中，輸入原始數據的方法是：在菜單欄中選擇【插入】→【獨立幾何】命令，然后再選擇【幾何】→【示例數據來自文件】命令，可輸入高密度或低密度的數據。在輸入高密度數據或點云時，可用不同的過濾技術來消除不需要的數據點，創建以后可用于建立型曲線的掃描曲線。
4.2 創建型曲線與曲面的邊線
掃描曲線是依次通過光滑連接掃描點得到的，掃描曲線不會偏離掃描點，只有通過刪除掃描點才能修改掃描曲線的形狀及曲率。Pro/E中掃描曲線是無法直接構建曲面的，因此需要通過復制掃描曲線得到型曲線。
基本步驟如下：
(1)在掃描工具環境中，選擇【幾何】→【曲線】→【自示例數據】命令。
(2)選擇已經創建好的掃描曲線。
(3)在“選取”對話框中單擊【確定】按鈕，或者單擊鼠標中鍵，創建好的型曲線如圖5所示。
通過選擇創建好的型曲線和邊界創建混合型曲面，如圖7所示。在創建整個曲面過程中，還要不斷與實際零件模型數據比較，進行反復修正，控制好曲面變化在誤差范圍之內。
得到樣件3D數據以后，就可以利用Pro/E模具設計模塊來創建“奶勺”模具了，在模具設計過程中，要遵循塑料模具設計的一些基本原則，進行合理地結構布置，創建的模具如圖8所示。
對于模具零件的制造，要更多地借助于數控加工設備來完成。首先將抽取的型芯和型腔導入到Pro/E系統的CAM模塊或者導入到CIMA-TRON、UG等CAD/CAM軟件中，然后根據零件的特點，確定數控加工工藝，如加工方式、刀具、進給深度、速度等相關的加工參數的計算與設定，以生成刀具路徑，再經過后置處理程序形成數控加工代碼，即可用于模具的數控加工。
本模具加工中，還會應用到電火花、拋光等加工技術。另外，模具材料的選擇也是對加工結果產生影響的一個重要因素。
7 結論
本文論述了逆向工程技術的基本概念，并列舉了逆向工程中常用的一些設備與應用軟件，有機地將逆向工程技術與高性能CAD/CAM軟件Pro/E造型和加工技術結合起來，從而完成了奶勺樣件的測量、制件造型、模具造型、模具制造等一系列過程，對企業的產品設計與制造發展起到了推動作用。
1 順向工程與逆向工程設計
在工程技術人員的一般概念中，產品設計過程是一個從無到有的過程：設計人員首先構思產品的外形、性能和大致的技術參數等，然后利用CAD技術建立產品的三維數字化模型，最終將這個模型轉入制造流程，完成產品的整個設計制造周期。這樣的產品設計過程可以稱之為“正向設計”，又稱“順向工程設計”。
逆向工程(Reverse Engineering)也稱“反求工程”，是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據測量數據通過三維幾何建模方法重構實物的CAD模型，從而實現產品設計或制造的過程。
圖1所示為制作塑料產品(奶勺)模具的逆向設計流程圖：針對現有樣品或模型(圖2)，利用3D數字化測量方法準確、快速地量取工件的表面點數據或輪廓線條，并加以曲面的創建、編輯和修改后，傳送至CAD/CAM系統，再將CAM系統生成的NC加工刀具路徑傳送至CNC加工出所需的模具。
從塑料產品(奶勺)模具逆向設計流程圖可以看出，逆向工程首先必須使用精密的測量系統將樣品的三維輪廓尺寸快速的測量出來，然后依據得到的數據創建曲面造型及加工。故建立一套完整的逆向工程系統，需要下列基本配置：測量機(又稱抄數機);點群數據處理軟件，即逆向工程軟件;CAD/CAM/CAE軟件;CNC機床;塑料射出成型機或其它成型設備。
常用的測量機有：機械接觸式坐標測量機，它是通過監測測頭與實物的接觸情況獲取坐標數據，其測量原理及過程比較簡單、方便，成本又低，目前應用較為廣泛。三維激光掃描機，它是由激光掃描實物，同時由攝像機錄下光束與實物接觸部位的一種非接觸式抄數機，它具有測量速度快，可測量柔軟物體，不會損壞工件表面等優點，但測量精度較低，多用于自由曲面的立體造型。光學坐標測量機，它是通過光源照射實物，利用干涉條紋技術計算實物坐標數據的一種測量設備。
通常所說的逆向工程軟件，是專指用于進行點云數據的噪聲濾除、補點、內插補、細線化、曲線建構、曲面構建、曲面修改等操作的軟件。目前，被全球公認的四大逆向工程軟件有：(1)美國EDS公司出品的逆向工程軟件Image Ware，作為NX外掛的逆向工程軟件包，具有強大的測量數據處理、曲面造型、誤差檢測等功能，正被廣泛應用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件等設計與制造領域。(2)美國Raindro(雨滴)公司出品的逆向工程和三維檢測軟件Geomagic Studio，可輕易地從掃描所得的點云數據創建出完美的多邊形模型和網格，并可自動轉換為NURBS曲面。(3)英國DELCAM公司開發的系列CAD產品的集成模塊CopyCAD，該軟件為來自數字化數據的CAD曲面的產生提供了復雜的工具，能將處理的數據無縫地延續到設計制造階段。(4)韓國INUS公司出品的Rapid Form軟件，主要用于處理測量、掃描數據的曲面建模以及基于CT數據的醫療圖象建模，還可以完成藝術品的測量建模以及高級圖形生成。除此以外，逆向工程應用軟件還包含一些主流的CAD/CAM軟件，如CATIA，Strim，Unigraph-ICS，Pro/Engineering，Cimatron和Solidworks等，塑料產品(奶勺)模具逆向設計研究，就是基于Pro/E技術的反求設計研究。
3 數據處理與樣件表面數字化
3.1 基本思想
逆向工程設計中，在構建產品的曲面之前，往往是先進行測量區域的劃分，將樣品劃分成多個2D斷面，接著利用三坐標測量機進行每一個2D斷面的點數據測量，獲取掃描點。將點數據轉入逆向工程應用軟件，來創建型曲線，再利用型曲線創建曲面。
3.2 點數據的獲取與處理
“奶勺”樣品模型，是一個左右結構對稱產品，可只測量“奶勺”的對稱半邊，為了對“奶勺”進行連續測量時，有統一參照系統，應首先在模型上確定可作為基準的特征。
經過分析，奶勺表面絕大部分是曲面結構，但左右結構對稱，上下結構只在勺柄部分有對稱的傾向，因此在勺柄的中間位置確定中分面作為測量基準，如圖3所示“前”面位置。獲得相應的點數據如圖4所示，然后將測量得到的數據轉換為Pro/E能識別的數據格式，如*.IGS或*.IBL等格式，再轉入Pro/E軟件中，創建和修改型曲線，最后再對三維數字模型做鏡像處理。
4.1 輸入原始數據
根據掃描點的稀疏程度和點文件格式的不同，掃描點數據可分為高密度數據和低密度數據。
利用Pro/E3.0軟件的掃描工具環境中的獨立幾何可從原始數據創建期望的形狀。在掃描工具環境中，輸入原始數據的方法是：在菜單欄中選擇【插入】→【獨立幾何】命令，然后再選擇【幾何】→【示例數據來自文件】命令，可輸入高密度或低密度的數據。在輸入高密度數據或點云時，可用不同的過濾技術來消除不需要的數據點，創建以后可用于建立型曲線的掃描曲線。
4.2 創建型曲線與曲面的邊線
掃描曲線是依次通過光滑連接掃描點得到的，掃描曲線不會偏離掃描點，只有通過刪除掃描點才能修改掃描曲線的形狀及曲率。Pro/E中掃描曲線是無法直接構建曲面的，因此需要通過復制掃描曲線得到型曲線。
基本步驟如下：
(1)在掃描工具環境中，選擇【幾何】→【曲線】→【自示例數據】命令。
(2)選擇已經創建好的掃描曲線。
(3)在“選取”對話框中單擊【確定】按鈕，或者單擊鼠標中鍵，創建好的型曲線如圖5所示。
通過選擇創建好的型曲線和邊界創建混合型曲面，如圖7所示。在創建整個曲面過程中，還要不斷與實際零件模型數據比較，進行反復修正，控制好曲面變化在誤差范圍之內。
得到樣件3D數據以后，就可以利用Pro/E模具設計模塊來創建“奶勺”模具了，在模具設計過程中，要遵循塑料模具設計的一些基本原則，進行合理地結構布置，創建的模具如圖8所示。
1.導套 2.型腔 3.澆注系統 4.定模板 5.定模座板 6.推桿 7.推桿固定板 8.推板 9.型芯10.導柱 11.動模板 12.模板支撐板 13.動模座板
對于模具零件的制造，要更多地借助于數控加工設備來完成。首先將抽取的型芯和型腔導入到Pro/E系統的CAM模塊或者導入到CIMA-TRON、UG等CAD/CAM軟件中，然后根據零件的特點，確定數控加工工藝，如加工方式、刀具、進給深度、速度等相關的加工參數的計算與設定，以生成刀具路徑，再經過后置處理程序形成數控加工代碼，即可用于模具的數控加工。
本模具加工中，還會應用到電火花、拋光等加工技術。另外，模具材料的選擇也是對加工結果產生影響的一個重要因素。
7 結論
本文論述了逆向工程技術的基本概念，并列舉了逆向工程中常用的一些設備與應用軟件，有機地將逆向工程技術與高性能CAD/CAM軟件Pro/E造型和加工技術結合起來，從而完成了奶勺樣件的測量、制件造型、模具造型、模具制造等一系列過程，對企業的產品設計與制造發展起到了推動作用。
浙公網安備: 33028102000314號