逆向设计的关键技术及其在制造工程中的应用

周 丽

（南京林业大学，南京 210037）

现代反求工程是目前技术进步的有效途径，是产品设计人员急需掌握的新兴设计技术。在产品制造过程中，受诸多因素的综合作用，人们只能够对实物模型进行获取，图纸、产品数据等难以获得，这样就增加模具制造及制造技术的发展难度。针对这种情况，就需要将逆向工程技术应用过来，三维化处理实体，获得相应的模型，进而推动制造工程的整体发展。

1 逆向工程技术概述

具体来讲，逆向工程技术指的是结合相应的实物，将三维数字分析、扫描等技术运用过来，快速实时测量实物，通过三维建模，重新构建实物曲面，向CAD系统进行传递，然后CAM将刀具程序编制出来之后，向CNC加工设备进行传递，促使模型得到有效构建，从反向角度来设计产品[1]。其中，可以从实物反向、软件反向、影像反向三个方面来划分逆向工程技术。实物反向指的是测量分析实物，然后进行生产，其能够逆向设计实物整体或某个零部件。软件方向则是充分利用了产品样本、产品图纸、使用手册等内容，具有完善的技术软件。影像反向指的是技术软件和实物均没有，只能够依靠部分资料对产品进行设计和构思。其中，这些资料包括参观视频、广告图片等等。

2 逆向设计的关键技术

2.1 数据采集

本种技术主要是将一系列特殊的采集设备、采集方法运用过来，以便对产品外观的轮廓、坐标等有效获取，然后数字化处理产品的集合外形。在具体实践中，首先测量扫描产品的三维坐标，对相应的数据内容精确获取，通过计算机技术处理这些数据内容，促使有圆柱、圆锥、球等采集元素形成，借助于计算，对其外形、位置等几何数据有效获取。目前来讲，一般采取两种方式来获取数据：

首先是接触式数据采集技术。本种技术主要运用三坐标丈量机，结合实物特征、测量要求等内容，对丈量机的测头、方向合理选择，对测量点数、分布、测量路径合理确定。采用本种技术，需要让测头接触到零件表面，具有较慢的测量速度，且完成测量工序后，测头补偿环节也要科学开展，十分繁琐，实体外形也得不到充分的反映。

其次为非接触数据采集技术。本种技术主要是将光学原理运用起来，其具有较高的精度和较快的速度，且接触压力、测量摩擦力得到了避免，误差得到降低。同时，能够最大程度的缩小测头光斑，每一个部位都可以有效探测，可以将测量表面的真实轮廓给最大化的呈现出来。

2.2 数据预处理

在诸多因素的综合作用下，包括测量方法、设备缺陷、表面质量等等，难免会有误差存在于测量结果中。那么就需要将数据预处理技术运用过来，对误差进行降低和消除，以便促进后续建模工作的顺利开展。一般情况下，包括这些方面的内容：

首先，误差点的去除。如果有变化出现于测量设备参数、环境之中，就容易出现误差点。那么就需要借助于数据预处理技术，将潜在的误差点找出来。在具体实践中，扫描同一个截面，如果有一个点与临近点之间存在着较大的偏差，那么就需要对其进行消除。

其次，数据精简。在测量仪器实施过程中，会获得大量且密集的数据点云，其中冗余数据占据了较大的比例，其会对运算开支造成浪费，同时几何建模速度也会大大降低。针对这种情况，就需要将冗余数据及时删除掉。

再次，点云对齐。实践研究表明，设备测量范围有时候可能无法满足产品尺寸大小要求，那么为了对产品表面数据进行全部测量和获取，就需要从多个角度来进行。而不同的角度，就导致测量坐标系存在差异，那么就需要对齐处理数据，以便有效统一各个坐标系。

最后，特征提取、数据分块。在特征提取方面，主要是对测量数据进行筛选，将对特征曲线、特征曲面生成有利的点找出来，以便促使特征线、特征面得到顺利生成。在数据分块方面，则是将构成产品外形曲面的子曲面类型纳入考虑范围，合理划分同一个子曲面类型的数据。

2.3 曲面重构

本种技术是将数据采集信息充分利用刚起来，对原始曲面几何模型进行恢复。一般情况下，可以分为这些类型：

首先，基于曲线重建曲面。本种方法通过数据分割，然后将曲面的网络样条曲线拟合于测量的点坐标中，借助于相应的系统和工具，包括CAD/CAM等，通过混合、放样等环节的处理，对曲面模型进行重建，然后实施过渡、裁剪等环节，有效拼接各个光滑的子曲面，促使整体曲面得到形成[2]。

其次，基于测量点直接拟合。本种方法指的是对测量集合、插值曲面等进行重新构建，八廓曲面逼近和曲面插值两个组成部分。

3 逆向工程技术的应用

3.1 数字化扫描

选择科学的技术方式，扫描模型表面，对模型坐标信息进行和偶去，然后向电脑中存储获取到的信息资料。数字化扫描的实施效果，会对逆向工程技术的应用成效产生直接的影响，一旦有失误、误差出现，将会带来十分严重的后果。因此，就需要严格遵循严谨、认真的原则，科学扫描产品数据，提升数据收集质量。

3.2 产品建模

借助于计算机来实践设计数据，促使有CAD模型生成。本环节具有十分复杂的过程，如果仅仅将单一数据点运用过来，将会降低设计效果。因此，就需要曲面拟合多个数据和不同区域的数据，连接不同的曲面，促使有完整的整体形成。

3.3 数控加工

要将零件加工内容、设备工序等因素充分纳入考虑范围，科学加工产品。同时，严格贯彻与落实先粗糙后精致的原则，以便高效控制加工过程，最大程度的降低误差的发生几率。在重复定位过程中，为了避免出现误差问题，需要对孔系的同轴度有效提升。

4 实例分析逆向设计技术在制造工程中的应用

以火控系统操控手柄的设计为例，详细分析逆向设计技术在制造工程中的应用。

4.1 设计与评估初始实物模型

结合设计要求，造型师将1：1的木质三维模型构建起来，专业操控人员反复试用木质手柄，合理评估舒适性。结合试用结果，科学修改与完善木质模型。

4.2 操控手柄的逆向设计

4.2.1 数字化设计实物模型

在逆向工程建模中，首先要对点云数据进行准确获取，可以将专业设备运用过来，测量实物模型，以便对实物的表面数据进行获取。结合实际情况，将激光扫描仪应用过来，采集手柄模型数据，对手柄实物模型的三维数据信息有效获取。操控手柄具有十分复杂的结构，要将多次扫描工序实施下去，这样就会获得十分庞大的点云数据量，进而对曲面重建算法效率造成不利影响，且存在着较多的冗余无用数据。因此，就需要整合点云数据，提取数据特征，促进后续曲面重建工序的科学开展。

4.2.2 重建CAD模型

本环节内，主要是结合实物点云模型，对实体模型进行重新构造和生成。产品三维CAD模型重建是逆向工程设计中的核心内容，同时难度较高。研究发现，目前市场上出现了较多种类的三维建模软件。结合本项目实际情况，将CATIA软件运用过来，重建操控手柄的曲面模型。在重建过程中，发现操控手柄具有十分复杂的结构，且空腔体存在于中间部分。那么wield降低加工难度，将CATIA软件的分形功能利用起来，合理划分手柄的曲面。

4.3 数字化制造与设计改进

向激光3D打印成型机中输入CAD重建模型，借助于3D打印技术的应用，即可对操控手柄的样机有效制造。为了满足加工需求，建模过程中，分割了操控手柄的曲面，那么就需要分别加工两个曲面模型。完成加工工序后，焊接两个部分，通过打磨、抛光、喷漆等一系列工序的实施，促使手柄结构得到完整制造。

5 结束语

综上所述，逆向工程技术具有较强的实用性和创新性，通过科学应用逆向工程技术，可以促进产品设计工作的顺利开展，设计周期不仅能够得到缩短，设计精度也可以得到显著的提升，需要引起人们充分的重视。在未来的发展中，需要深化逆向设计技术研发，不断提升逆向设计水平，以便推动产品设计、产品制造行业的发展。