【讨论】逆向工程技术 面临世代交替？

我们这儿的逆向就是假冒的代名词。做得象是你应有的水平，做不象是你不行，要被吃“蛋糕”！没商量的余地。

       逆向工程，在今天的中国制造业，很大范围内已经沦为一种工具，模仿的工具。特别是这种技术为广大模具制造厂家所运用后。因为逆向工程能最大限度的节省成本（开发）缩短周期。
       我想，作为cad工程师，论坛内的每一位都不应责怪逆向工程，责怪产品的模仿。逆向工程在这些年我们产品制造业的贡献很大。产品模仿在我们制造业发展的初期是很正常的，甚至是必须的。翻开周围的台湾、韩国、日本的过去，模仿无一不是他们制造业发展初期的必经阶段。日本仿美德，台韩仿日本。关键是模仿后成为自己的东西，并产生新的东西值得让别人模仿。这些是我们应该学习的。
      应该来责怪逆向工程用于模仿的，是工业设计者们，是知识产权捍卫者们。但只用我们的工业设计跟上美德日的时候，才是你们责怪模仿的时候，才是你们真正赞美真正的逆向工程的时候，也是知识产权真正对我们有用的时候。
  
     我做为国内较早从事逆向工程的人，我想有必要和大家谈谈逆向工程这项技术产生的原意。
    逆向工程不是复杂的技术，没有科技的概念，也不太专门。它只是一个概念一种方法，一种由CAID实现于CAD的一种方法。
    和很多CAD的技术一样，逆向工程发展于汽车制造业，十五到二十年前，世界上的产品远没有今天这么丰富多彩，在汽车领域先应用到复杂的曲面，设计师们用石膏或油泥塑成想要的车型，然后把空间的坐标点纪录下来，输入CAD软件中，生成三维数据用于开发模具。（直到今天，汽车设计业依然这样在做）随着计算机、测量技术、加工中心的发展，逆向工程成熟起来，应用也越来越广。
   所以，将原有实物（产品原型或油泥模型）转化为计算机上的三维数字模型，在CAID与CAD领域，这就是逆向工程 (Reverse Engineering)。  
    不要把逆向工程仅仅等同于模仿，它应有更广泛的空间。

CAXA在国产汽车整车模型与检具设计制造中的应用
  
北京华诚应用技术公司
  
一、前言
北京华诚应用技术公司是以汽车模型与检具设计制造为主的一家高科技民营企业，在全国汽车车身行业，特别在车身检具项目上，一直处于领先位置。近两三年来市场上推出的各款国产新车，除了从国外直接照搬进来的以外，象英格尔、中华轿车、羚羊、飞羚、大发、北极星、汉江、江陵等等国产新车，其车身模型特别是车身检具，基本上都是由华诚基于CAXA-CAD/CAM系统实现设计和制造的。前不久华诚为某国内著名汽车厂家完成的一款新型车的整车主模型，还因此获得了科技部有关专家的高度评价，称为是“国产CAD/CAM软件在汽车整车主模型设计制造应用中的首创”。
国产汽车基本上走的是仿制和改型设计相结合的道路。因此在华诚这些年所承接的国产车项目中，几乎全部是按厂家提供的
[$#61548] 实物样车/件；
[$#61548] 部分图纸；
[$#61548] 少许3D数字模型；
等多种混合形式的技术要求进行车身模型与检具的混合设计和制造的（如图1所示）。这种设计与制造一般都需要有：
图1 实物、图纸及数字模型混合技术要求
[$#61548] 大行程自动三坐标测量仪；
[$#61548] 反向工程系统；
[$#61548] 三维造型设计与二维绘图系统；
[$#61548] 强大的数据接口系统；
[$#61548] 数控铣削加工自动编程及后置系统；
[$#61548] 三轴数控铣床或加工中心机床；
等基本的装备条件与技术能力。
在97、98年时，华诚作为一家发展时间不长的民营企业，受资金限制无法购置适用于汽车主模型和检具的大尺寸自动三坐标测量仪与昂贵的国外大型CAD/CAM及反向工程软件系统，只能在其现有设备和技术条件下考虑该项目的实施：
[$#61548] Digimill-40L数控仿型铣床1台；
[$#61548] 数台手动坐标测量仪、绘图仪；
[$#61548] 普通加工设备若干。

二、基于数控仿型铣床与CAXA制造工程师的应用平台
根据企业的具体实际情况，华诚确定了以 Digimill-40L数控仿型铣床与国产CAXA制造工程师系统为核心的应用方案，如图2所示。
使用数控仿形铣床代替高成本的三坐标测量仪，实物来源先由数控仿形铣床进行仿形，得到该机床控制系统 Fidia 的后置代码（如图3所示）。
   
图3 使用Digimill-40L数控仿形铣床代替三坐标测量仪
应用CAXA制造工程师反向工程模块，将测量数据按加工轨迹方式读入，再将刀具轨迹处理为NURBS曲面，同时进行优化去除缺陷，按图纸或数字模型进行三维修正(包括产品改型)后，生成NC代码再传到数控仿形铣床进行加工。  
数字模型的读入采用CAXA制造工程师系统的强大IGES接口。
图纸模型中需要数控加工的直接在CAXA制造工程师软件中进行三维造型，不需要的由CAXA电子图板软件绘制二维工程图，两者都有的，先用CAXA电子图板软件绘制工程图，将二维电子文档一部分转入CAXA制造工程师软件，使用二维线框进行三维造型，其余由 CAXA 电子图板软件绘图输出，转普通加工。
反向工程处理后，不需要数控加工的部分，转到CAXA电子图板中，按照国家标准标注尺寸、设置图框、标题栏、填写技术要求，出二维工程图， 转到普通加工。
其中手动坐标测量仪为检测用。

CAXA反向工程模块的处理过程
CAXA反向工程是建立在CAXA制造工程师平台上的应用模块，图形、接口完全依赖CAXA制造工程师。CAXA反向工程模块包含工具箱模块与反向工程模块两部分。
目前国外的反向工程系统大多采用对点云进行处理。大量散乱的点云，其边界的识别、测量噪声消除等处理过程复杂，处理时间长且效果不是很理想。因为一般测量数据的数据量非常巨大，一个1米左右的汽车覆盖件，数据量达到 800K以上。这些数据如果采用单纯点的方式读入，将形成巨大的点云。手工逐个编辑是不现实的。
CAXA反向工程系统没有直接对点云进行处理，而是处理有序点，并提供了两种读入方式，一种是通过DAT数据接口读入，另一种是用加工代码方式读入。
CAXA反向工程模块首先将有序点变为有序线段、将有序线段转化为有序样条曲线，再将有序样条曲线按放样面方式生成曲面。在生成曲线和区面的过程中，系统都提供了对数据进行修正功能，用以消除测量噪声。
以下就是在数控仿型铣床与CAXA制造工程师搭建的应用平台上读入的Fidia格式代码：
N1 G90G00Z150.000
N2 S1200M03
N3 X63.387Y-49.122Z150.000
N4 Z100.000
N5 Z10.097
N6 G01Z0.097F60
N7 X59.177Y-49.116Z0.211F300
N8 X55.119Y-49.089Z0.616
N9 X51.336Y-49.021Z1.380
N10 X47.899Y-48.884Z2.560
N11 X44.551Y-48.716Z4.186
N12 X41.178Y-48.554Z6.200
N13 X37.721Y-48.427Z8.533
N14 X34.131Y-48.354Z11.104
N15 X30.363Y-48.345Z13.825
N16 X26.370Y-48.399Z16.596
N17 X22.103Y-48.508Z19.308
N18 X17.581Y-48.638Z21.836
N19 X12.913Y-48.754Z24.102
……….
N8430 X-47.395Y48.683Z24.604
N8431 X-52.055Y48.566Z22.342
N8432 X-56.571Y48.439Z19.813
N8433 X-60.932Y48.301Z17.043
N8434 X-65.125Y48.153Z14.059
N8435 X-69.139Y47.993Z10.885
N8436 X-72.964Y47.819Z7.547
N8437 X-76.587Y47.630Z4.069
N8438 Z100.000F4000
N8439 G00Z150.000
N8440 M05
N8441 M30
图4 将代码按轨迹方式读入CAXA制造工程师
根据CAXA制造工程师的机床后置设置，选择Fidia后置格式，读入为加工轨迹方式（带有各种加工参数），系统将生成代码按轨迹方式读入CAXA制造工程师，轨迹如图4所示。
将轨迹逆变为曲面的过程：轨迹[$#61662]Pline[$#61662]Spline[$#61662] Loft （ Skin）
加工轨迹实际是测量得到的三维空间坐标点。将这些空间点滤去加工参数后按测量顺序以直 线方式串合在一起，便形成了Pline。在生成 Pline时，必须对往复的轨迹折返点进行处理，形成单 一方向的 Pline 组。在Pline生成过程中，折返点的处理主要是通过机床测量时界定的行距、步长来判断的，这种判断方法相对采用曲率判断要简单可行，速度也相对提高。再将这些Pline 组，转换为NURBS：
   
曲线拟合（curve fitting）采用插值法（interpolation）和逼近算法（approximation）两种，可以选择。采用逼近法，曲线比较光滑，但是有误差，必须根据实际零件情况判断采用何种拟合方法。在系统中逼近法拟合曲线，设置了精度控制。可以根据需要误差，调整。实际处理过程要比叙述的复杂得多。这里还包含了区域划分、曲线延伸（Curve-extension）、曲线的裁剪（Curve-trim）等技术。采用反向工程模块中的“轨迹 [$#61662] 曲线”功能，将图4所示轨迹转换为 SPLINE 曲线，如图5所示。
曲面的构造，系统采用放样面（Loft-Surface）构造方法。在构成过程中一般要考虑曲线选取的方向性，因为Loft-Surface曲面是由剖面曲线（section curves）拟合的。否则会因为曲线方向不一致而导致曲面扭曲。在反向工程模块中，对于曲线的方向选则，根据用户坐标轴的方向作了自动处理。
  
图5 轨迹转换为 SPLINE 曲线        
曲面生成过程中，设置数据过滤、数据加密、数据有序化的功能，用以修改样条曲线参数点的密度和排列秩序。使用反向工程模块的曲面生成功能，将SPLINE自动转化为NURBS 曲面，如图6所示。
   
图6  SPLINE 曲线转换为 NURBS 曲面
从上图看出，由此生成的曲面仍然带有缺陷。
在测量到的数据中，本身就存在很多缺陷。 缺陷产生的原因很多，一般有原始测量物本身缺陷，测量系统误差缺陷（多产生于几何体的陡坡边缘），测量方法自身的缺陷。测量方法的缺陷 一般从测量工艺上解决，它取决于操作人员的水平，是不可控因素。实际上测量方法产生的误差是最主要的误差，但本文由于篇幅限制，在测量工艺上不作论述。其它缺陷的消除，主要靠软 件来解决。对于测量噪声很小的缺陷，在本系统中使用曲面降阶的方法消除（在反向工程模块中命名为 曲面光顺），如图7、图8、图9、图10所示。
对于曲面缺陷很大，或通过降阶会超出精度范围，而不允许的情况，应当采用曲面重构方式 解决。方法为：取出缺陷曲面的边界线和数条参数线。最好是取出过缺陷处的曲面参数线。编辑 有缺陷的参数线， 使其在缺陷处光顺（这时可采用样条逼近算法重新处理）。然后，再用这些边 界线和参数线生成网袼曲面（MESH）。在曲面重构时，必须注意保证重构精度，否则失真太大，失去意义。
   
图7降阶前局部放大  
   
图8一次降阶后局部放大
   
图9 二次降阶后局部放大
  
  图10 光顺处理后的曲面

结论
我国加入WTO后，受影响最大的将是汽车制造业。华诚以现有设备条件、应用国产软件技术手段，连续几年顺利完成了以往国内汽车厂家整车模型与检具等项目严重依赖进口、或依赖高昂设备条件与国外大型软件系统才能完成的设计和制造工作，节省了大量设备投资及技术应用成本，创造价值数千万元，仅2002年春节后1个月时间就完成金杯“中华轿车”及“汉江”检具的设计制造150多件套，创造了良好经济和社会效益；更为重要的是，它为国内企业特别是国内汽车整车及零配件制造厂家，在我国加入WTO的新形势下，如何立足企业实际进行技术创新、提升企业竞争实力方面，探索了一条宝贵经验。

强了  老大 厉害

不错,很有前瞻性