反求工程

反求工程(Reverse Engineering,RE),也稱逆向工程、反向工程，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模型的過程，是一個從樣品生成產品數位化信息模型，並在此基礎上進行產品設計開發及生產的全過程。

基本介紹

• 中文名：反求工程
• 外文名：Reverse Engineering,RE)
• 別稱：逆向工程、反向工程
• 所屬：工程

基本介紹

反求工程(Reverse Engineering)這一術語起源於20世紀60年代,但對它從工程的廣泛性去研究,從反求的科學性進行深化還是從20世紀90年代初剛剛開始.反求工程類似於反向推理,屬於逆向思維體系.它以社會方法學為指導,以現代設計理論,方法,技術為基礎,運用各種專業人員的工程設計經驗,知識和創新思維,對已有的產品進行解剖,分析,重構和再創造,在工程設計領域,它具有獨特的內涵,可以說它是對設計的設計。

反求工程技術是測量技術,數據處理技術,圖形處理技術和加工技術相結合的一門結合性技術.隨著計算機技術的飛速發展和上述單元技術是逐漸成熟,近年來在新產品設計開發中得到愈來愈多的套用,因為在產品開發過程中需要以實物(樣件)作為設計依據參考模型或作為最終驗證依據時尤其需要套用該項技術,所以在汽車,機車的外形覆蓋件和內裝飾件的設計,家電產品外形設計,藝術品複製中對反求工程技術的套用需求尤為迫切。

含義

反求工程是將數據採集設備獲取的實物樣件表面或表面及內腔數據,輸入專門的數據處理軟體或帶有數據處理能力的三維CAD軟體進行處理和三維重構,在計算機上復現實物樣件的幾何形狀,並在此基礎上進行原樣複製,修改或重設計,該方法主要用於對難以精確表達的曲面形狀或未知設計方法的構件形狀進行三維重構和再設計。

反求工程是綜合性很強的術語，它是以設計方法學為指導，以現代設計理論、方法、技術為基礎，運用各種專業人員的工程設計經驗、知識和創新思維，對已有新產品進行解剖、深化和再創造，是已有設計的設計，這就是反求工程的含義，特彆強調再創造是反求的靈魂。

研究內容

反求工程技術的研究對象多種多樣,所包含的內容也比較多,主要可以分為以下三大類:

①實物類:主要是指先進產品設備的實物本身;

②軟體類:包括先進產品設備的圖樣,程式,技術檔案等;

③影像類;包括先進產品設備的圖片,照片或以影像形式出現的資料.

反求工程包含對產品的研究與發展,生產製造過程,管理和市場組成的完整系統的分析和研究.主要包括以下幾個方面:

探索原產品設計的指導思想

掌握原產品設計的指導思想是分析了解整個產品設計的前提.如微型汽車的消費群體是普通百姓,其設計的指導思想是在滿足一般功能的前提下,儘可能降低成本,所以結構上通常是較簡化的.

探索原產品原理方案的設計各種產品都是按定的使用要求設計的,而滿足同樣要求的產品,可能有多種不同的形式,所以產品的功能目標是產品設計的核心問題.產品的功能概括而論是能量, 物料信號的轉換.例如,一般動力機構的功能通常是能量轉換,工作機通常是物料轉換,儀器儀表通常是信號轉換.不同的功能目標,可引出不同的原理方案.設計一個夾緊裝置時,把功能目標定在機械手段上,則可能設計出斜楔夾緊,螺旋夾緊,偏心夾緊,定心夾緊,聯動夾緊等原理方案;如把功能目標確定擴大,則可設計出液動,氣動,電磁夾緊等原理方案.探索原產品原理方案的設計,可以了解功能目標的確定原則,這對產品的改進設計有極大幫助.

研究產品的結構設計

產品中零部件的具體結構是實現產品功能目標是保證,對產品的性能,工作能力,經濟性,壽命和可靠性有著密切關係.

確定產品的零部件形體尺寸分解產品實物,由外至內,由部件至零件,通過測繪與計算確定零部件形體尺寸,並用圖樣及技術檔案方式表達出來.它是反求設計中工作量很大的一部分工作.為更好地進行形體尺寸的分析與測繪,應總結箱體類,軸類,盤套類,,齒輪,彈簧,曲線曲面及其它特殊形體的測量方法,併合理標註尺寸.

確定產品中零件的精度確定零件的精度(即公差設計),是反求設計中的難點之一.通過測量,只能得到零件的加工尺寸,而不能獲得幾何精度的分配.精度是衡量反求對象性能的重要指標,是評價反求設計產品質量的主要技術參數之一.科學合理地進行精度分配,對提高產品的裝配精度和力學性能至關重要.

確定產品中零件的材料通過零件的外觀比較,重量測量,力學性能測定,化學分析,光譜分析,金相分析等試驗方法,對材料的物理性能,化學成分,熱處理等情況進行全面鑑定,在此基礎上,遵循立足國內的方針,考慮資源及成本,選擇合用的國產材料,或參照同類產品的材料牌號,選擇滿足力學性能及化學性能的國有材料代用.

確定產品的工作性能 針對產品的工作特點機器主要性能進行試驗測定,反計算和深入地分析,了解產品的設計準則和設計規範,並提出改進措施.

確定產品的造型

對產品的外形構型,色彩設計等進行分析,從美學原則,顧客需求心裡,商品價值等角度進行構型設計和色彩設計.

確定產品的維護與管理

分析產品的維護和管理方式,了解重要零部件及易損零部件,有助於維修及設計的改進和創新.

套用領域

反求工程（逆向工程）是近年來發展起來的消化，吸收和提高先進技術的一系列分析方法和套用技術的組合，其主要目的是為了改善技術水平，提高生產率，增強經濟競爭力。世界各國在經濟技術發展中，套用反求工程消化吸收先進技術經驗，給人們有益的啟示。據統計，各國百分之七十以上的技術源於國外，反求工程作為掌握技術的一種手段，可使產品研製周期縮短百分之四十以上，極大提高了生產率。因此研究反求工程技術，對我國國民經濟的發展和科學技術水平的提高，具有重大的意義。

反求工程（逆向工程）的套用領域大致可分為以下幾種情況：

在沒有設計圖紙或者設計圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，在對零件原形進行測量的基礎上形成零件的設計圖紙或CAD模型，並以此為依據利用快速成型技術複製出一個相同的零件原型。

當要設計需要通過實驗測試才能定型的工件模型時，通常採用反求工程的方法。比如航天航空領域，為了滿足產品對空氣動力學等要求，首先要求在初始設計模型的基礎上經過各種性能測試（如風洞實驗等）建立符合要求的產品模型，這類零件一般具有複雜的自由曲面外型，最終的實驗模型將成為設計這類零件及反求其模具的依據。

在美學設計特別重要的領域，例如汽車外型設計廣泛採用真實比例的木製或泥塑模型來評估設計的美學效果，而不採用在計算機螢幕上縮小比例的物體投視圖的方法，此時需用反求工程的設計方法。

修復破損的藝術品或缺乏供應的損壞零件等，此時不需要對整個零件原型進行複製，而是藉助反求工程技術抽取零件原形的設計思想，指導新的設計。這是由實物逆向推理出設計思想的一種漸近過程。

關鍵技術

1 實物原型的數位化技術

實物樣件的數位化是通過特定的測量設備和測量方法，獲取零件表面離散點的幾何坐標數據的過程。隨著感測技術、控制技術、製造技術等相關技術的發展，出現了各種各樣的數位化技術，如圖所示。

2數據點雲的預處理技術

以上獲得的數據一般不能直接用於曲面重構，因為：1)對於接觸式測量，由於測頭半徑的影響，必須對數據點雲進行半徑補償；2)在測量過程中，不可避免會帶進噪聲、誤差等，必須去除這些點；3)對於海量點雲數據，對其進行精簡也是必要的。包括：半徑補償 、數據插補、數據平滑、點雲數據精簡、不同坐標點雲的歸一化

3 三維重構基本方法

複雜曲面的CAD重構是逆向丁程研究的重點。而對於複雜曲面產品來說，其實體模型可由曲面模型經過一定的計算演變而來，因此曲面重構是複雜產品逆向工程的關鍵。包括：多項式插值法、雙三次Bspline法、Coons法、三邊Bezier曲面法、BP神經網路法、

4 曲線曲面光順技術

在基於實物數位化的逆向工程中，由於缺乏必要的特徵信息，以及存在數位化誤差，光順操作在產品外形設計中尤為重要。根據每次調整的型值點的數值不同，曲線/曲面的光順方法和手段主要分為整體修改和局部修改。光順效果取決於所使用方法的原理準則。方法有：最小二乘法、 能量法回彈法、 基於小波的光順技術

5 逆向工程的誤差分析與品質分析

四個階段

反求工程（逆向工程）一般可分為四個階段：

第一步: 零件原形的數位化

通常採用三坐標測量機(CMM)或雷射掃瞄器等測量裝置來獲取零件原形表麵點的三維坐標值。

第二步: 從測量數據中提取零件原形的幾何特徵

按測量數據的幾何屬性對其進行分割，採用幾何特徵匹配與識別的方法來獲取零件原形所具有的設計與加工特徵。

第三步: 零件原形CAD模型的重建

將分割後的三維數據在CAD系統中分別做表面模型的擬合，並通過各表面片的求交與拼接獲取零件原形表面的CAD模型。

第四步: 重建CAD模型的檢驗與修正

採用根據獲得的CAD模型重新測量和加工出樣品的方法來檢驗重建的CAD模型是否滿足精度或其他試驗性能指標的要求，對不滿足要求者重複以上過程，直至達到零件的逆向工程設計要求。

相關技術

反求工程（逆向工程）中常用的測量方法

反求工程中（逆向工程）的測量方法可分成兩類:接觸式與非接觸式。

接觸式測量方法

坐標測量機

坐標測量機是一種大型精密的三坐標標測量儀器，可以對具有複雜形狀的工件的空間尺寸進行逆向工程測量。坐標測量機一般採用觸髮式接觸測量頭，一次採樣只能獲取一個點的三維坐標值。九十年代初，英國Renishaw公司研製出一種三維力一位移感測的掃描測量頭，該測頭可以在工件上滑動測量，連續獲取表面的坐標信息，掃描速度可達8米/秒，數位化速度最高可達500點/秒，精度約為0.03mm。這種測頭價格昂貴，目前尚未在坐標測量機上廣泛採用。坐標測量機主要優點是測量精度高，適應性強，但一般接觸式測頭測量效率低，而且對一些軟質表面無法進行逆向工程測量。

層析法

層析法是近年來發展的一種反求工程逆向工程技術，將研究的零件原形填充後，採用逐層銑削和逐層光掃描相結合的方法獲取零件原形不同位置截面的內外輪廓數據，並將其組合起來獲得零件的三維數據。層析法的優點在於任意形狀，任意結構零件的內外輪廓進行測量，但測量方式是破壞性的。

非接觸式逆向工程測量方法

非接觸式測量根據測量原理的不同，大致有光學測量、超音波測量、電磁測量等方式。以下僅將在反求工程中最為常用與較為成熟的光學測量方法（含數字圖像處理方法）作一簡要說明。

基於光學三角型原理的逆向工程掃描法

這種測量方法根據光學三角型測量原理，以光作為光源，其結構模式可以分為光點、單線條、多光條等，將其投射到被測物體表面，並採用光電敏感元件在另一位置接收雷射的反射能量，根據光點或光條在物體上成象的偏移，通過被測物體基平面、象點、象距等之間的關係計算物體的深度信息。

基於相位偏移測量原理的莫爾條紋法

這種測量方法將光柵條紋投射到被測物體表面，光柵條紋受物體表面形狀的調製，其條紋間的相位關係會發生變化，數字圖像處理的方法解析出光柵條紋圖像的相位變化量來獲取被測物體表面的三維信息。

基於工業CT斷層掃描圖像逆向工程法

這種測量方法對被測物體進行斷層截面掃描,以X射線的衰減係數為依據，經處理重建斷層截面圖像，根據不同位置的斷層圖像可建立物體的三維信息。該方法可以對被測物體內部的結構和形狀進行無損測量。該方法造價高，測量系統的空間解析度低，獲取數據時間長，設備體積大。美國LLNL實驗室研製的高解析度ICT系統測量精度為0.01mm。

立體視覺測量方法

立體視覺測量是根據同一個三維空間點在不同空間位置的兩個（多個）攝象機拍攝的圖像中的視差，以及攝象機之間位置的空間幾何關係來獲取該點的三維坐標值。立體視覺測量方法可以對處於兩個（多個）攝象機共同視野內的目標特徵點進行測量，而無須伺服機構等掃描裝置。立體視覺測量面臨的最大困難是空間特徵點在多幅數字圖象中提取與匹配的精度與準確性等問題。近來出現了以將具有空間編碼的特徵的結構光投射到被測物體表面製造測量特徵的方法有效解決了測量特徵提取和匹配的問題，但在測量精度與測量點的數量上仍需改進。

出現發展背景

反求工程出現和發展的時代背景

二次大戰中，幾十個國家捲入戰禍，飽受戰爭創傷。特別是戰敗國，在二戰結束後，急於恢復和振興經濟。日本在60年代初提出科技立國方針：“一代引進，二代國產化，三代改進出口，四代占領國際市場”，其中在汽車、電子、光學設備和家電等行業上最突出。為要國產化的改進，迫切需要對別國產品進行消化、吸收、改進和挖潛。這就是反求設計(Inverse Design)或反求工程(Inverse　Engineering)，這兩者是同一內涵，僅是不同國家的不同提法。發展到現在，己成為世界各國在發展經濟中不可缺少的手段或重要對策，反求工程的大量採用為日本的經濟振興、進而創造和開發各種新產品奠定了良好基礎。

實際上，任何產品問世，包括創新、改進和仿製的，都蘊含著對已有科學、技術的繼承和套用借鑑。因而反求思維在工程中的套用已源遠流長，而提出這種術語並作為一門學問去研究，則是60年代初出現的。

市場經濟競爭機制已滲透到各個領域，如何發展科技和經濟，世界各國都在研究對策。從共性特徵可概括為4個方面對策：(1)大力提倡創造性。包括新的思維方式、新原理、新理論、新方案、新結構、新技術、新材料、新工藝、新儀器等等。對於發展一個國家的國民經濟來說，創造性是永恆主題。(2)研究和套用新的設計理論、方法去改造和完善傳統的方法，使能既快又好地設計出新型產品。(3)把計算機套用廣泛地引入產品設計、開發的全過程(預測、決策、管理、設計製造、試驗、銷售服務等)中，以期達到這些過程的一體化、智慧型化和自動化。(4)研究和套用反求工程，使能在高的起點去創造新產品。

智慧財產權

任何一項新技術、新產品，應該受到有關保護法(如專利法、智慧財產權法、商標法等)的法律保護，這是國際性的共同行為規範，這才能引導正常的市場競爭和貿易。反求工程絕不等於偷技術，它是在科技道德和法律制約下，從學術、工程、技術方面來促進科技的發展。這是因為：(1)任何產品的設計、開發，總要借鑑、繼承已有的知識和技術，市場上的產品總要被別人借鑑，關鍵要劃清產權的界限。(2)青出於藍而勝於藍是發展規律，通過反求來發展新產品，起點高，周期短，成效快，決非照抄照搬。(3)科學的反求，有助於促進技術革新，擴大眼界，有助於儘快培養新人。

但應該強調，作為一個國家、民族，為發展科技和振興經濟，不能全靠反求來生存；鼓勵獨立的創造性永遠是主旋律或主題。

套用展望

反求工程是一門開拓性、綜合性和實用性很強的技術。儘管國內外已有大量成功經驗，但目前還很少有這方面系統的論著，大多散見在各個行業的案例或設計資料中，很多企業也不願將其反求技術公開。

應該看到，反求工程有其獨特的共性技術和內容，還是一門新興的交叉學科分支，正如高新技術層出不窮，解密技術亦要相應發展。在工程專業領域，需有設計、製造、試驗、使用、維修、檢測等方面知識；在現代設計法領域，應有系統設計、最佳化、有限元、價值工程、可靠性、工業設計、創新技法等知識；在計算機方面，需有硬體和軟體的基本知識；等等。總之，現行產品中的各種複雜、高新技術，在反求工程中都會遇到如何消化吸收問題。

現代設計理論和方法包括通用的(不針對具體工程專業)和專用的(針對工程專業)的兩大範疇。科技發展日新月異，如果說早期的反求活動偏於模仿性、經驗性、粗略近似的技術活動，用傳統的、常規的方法基本可以勝任，那么對現代產品中高新技術和複雜多樣的技術就無能為力。例如用斷裂力學設計的產品，使用中出現裂紋是正常的，要想用經典力學去反求是無法解釋的；高次方組合曲線或曲面的零件斷面，不掌握最佳化技術就難以消化；引進產品某些零件壽命可精確地給出多少小時多少分，如不掌握疲勞和可靠性設計方法就會是個謎，等等。

反求工程包含的內容和知識面很廣，不同專業產品又有不同領域。諸如原理、方案、功能、性能、參數、材質、結構、表面狀況、精度和公差、工藝過程、油品、試驗和檢測、使用規範、維修、運輸、可靠性、經濟性、貯存等等都要尋究“為什麼”的答案，要找出其先進科學的和落後不足的細節。引進產品不一定都先進，盲目吸收掩蓋了落後，不適合國情是虛假的先進，最後都要吃大虧，都不是真正的反求的目標。反求過程中，如何用現代設計理論、方法和技術去尋求符合國情的適用技術，是提高國產化零件質量的核心問題。尋找適用技術就是再創造，一旦突破，成效顯著，有時可使產品上水平、上檔次。

順便指出，開展反求工程的研究和套用，有助於人才培養。人們需要通過學習、創造、發明去發現新事物，而反求本身既是學習又可儘快掌握高新技術，縮小差距。已開發國家重視反求，正在開發中國家更要重視和掌握這種藝術和技術。要完成一項反求任務，進而再創造，需學習和掌握眾多知識和經驗，促使人們不斷去探討“為什麼這樣做”，進而深化提高到“應該怎樣做”。特別是中外合資和技術引進後的國產化，有大量反求工作。國產化就要創新，反求本質就是再創造，沒有相應技術的人才就很難勝任。