计算机辅助设计中的并行工程(CE)与逆向工程(RE)
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1．并行工程(CE) 并行工程（又称同步工程或并行设计）是指在开发设计产品的同时，同步地设计产品生命周期的有关过程，力求使产品开发人员在设计阶段就考虑到整个生命周期的所有因素，包括设计、分析、制造、装配、检验、维护、可靠性和成本等。 并行工程的具体做法是：在产品开发初期，组织多种职能协同工作的项目组，使有
&&& 1．并行工程(CE)
&&& 并行工程（又称同步工程或并行设计）是指在开发设计产品的同时，同步地设计产品生命周期的有关过程，力求使产品开发人员在设计阶段就考虑到整个生命周期的所有因素，包括设计、分析、制造、装配、检验、维护、可靠性和成本等。
&&& 并行工程的具体做法是：在产品开发初期，组织多种职能协同工作的项目组，使有关人员从一开始就获得对新产品需求的要求和信息，积极研究涉及本部门的工作业务，并将需求提供给设计人员，使许多问题在开发早期就得到解决，从而保证了设计的质量，避免了大量的返工浪费，如图1-18所示。
&&& 图1-18&&& 并行的产品开发过程
&&& 实现并行工程的技术手段是利用产品模型，在计算机上进行仿真，产生软样品。通过各种职能人员对软样品的分析、评估来改进设计。并行工程的另一个对传统设计方法的改革是&逆向工程&。它从市场调研开始，充分了解顾客的要求和爱好；并分析解剖其他工厂产品的结构性能，找出设计开发的突破点；它还要求从生产线上工人那里争求意见，了解问题，然后才开始设计。
&&& 并行工程克服了原来的部门分割、流程中断、消极等待等不良状况，把分阶段顺序进行的过程变为并行进行的过程，使产品开发不再是产品设计一个部门的工作，而是所有对产品开发具有重要影响的部门都参与的集体工作。
&&& 2．逆向工程(RE)
&&& 逆向工程(Reverse Engineering，RE)也称反求工程或反向工程，是根据已存在的产品、零件原型构造产品或零件的工程设计模型，并在此基础上对已有的产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计。其主要任务是将原始物理模型转化为工程设计概念或产品数字化模型：一方面为提高工程设计、加工分析的质量和效率提供充足的信息，另一方面为充分利用CAD/CAE/CAM技术对已有的产品进行设计服务。
&&& 逆向工程从广义讲，可分以下3类。
&&& (1)实物逆向：顾名思义，它是在已有实物条件下，通过试验、测绘和分折提出再创造的关键；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质、精度、使用规范等多方面的逆向。实物逆向对象可以是整机、部件、组件和零件。
&&& (2)软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件逆向中有3类情况：①既有实物，又有全套技术软件；②有实物而无技术软件；③无实物，仅有全套或部分技术软件。
&&& (3)影像逆向：无实物、无技术软件，仅有产品相片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面等，要从其中去构思、想象来逆向，称为影像逆向，这是逆向对象中难度最大的。影像逆向本身就是创新过程。目前还未形成成熟的技术。一般要利用透视变换和透视投影形成不同透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构。
&&& 逆向工程的数据测量是通过特定的测量设备和测量方法获取产品表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何形状数字化。其测量原理是：将被测产品放置于三坐标测量机的测量空间内，可以获得被测产品上各个测量点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其他几何量数据。高效、高精度地获取产品的数字化信息是实现逆向工程的基础和关键。
&&& 逆向工程的数据处理技术是逆向工程的一项重要技术环节，它决定了后续CAD模型重建过程能否方便、准确地进行。根据测量点的数量，测量数据可以分为一般数据点和海量数据点；根据测量数据的规整性，测量数据又可以分为散乱数据点和规矩数据点；不同的测量系统所得到的测量数据的格式是不一致的，且几乎所有的测量方式和测量系统都不可避免地存在误差。因此，在利用测量数据进行CAD重建前必须对测量数据进行处理。数据处理工作主要包括数据格式的转化、多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。
&&& 逆向工程的技术流程包括如下5个方面。
&&& (1)逆向工程是以一个物理零件或模型作为开始，进而决定下游工程。
&&& (2)点处理过程：主要包括多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。
&&& (3)曲线处理过程：决定所要创建的曲线类型。曲线可以设计得与点的片段相同，或让曲线更光滑些；由已存在的点创建出曲面；检查／修改曲线，检查曲线与点或其他曲线的精确度、平滑度与连续的相关性。
&&& (4)曲面处理过程：决定所要创建的曲面类型，可以选择创建的曲面以精确为主或以光滑为主，或两者居中；由点云或曲线创建曲面；检查／修改曲面，检查曲面与点或其他曲面或特征的精确度、平滑度与连续的相关性。
&&& (5)误差分析：应该考虑被测物对机构引起的综合轨迹误差、逆向工程设计所依据的数据值存在的测量误差、设计中的被测物存在的加工误差、设计中的曲线拟合存在的拟合误差等方面。
（责任编辑: 佚名 ）
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&&& 随着基于信息和知识的产品的高速发展，激烈的全球市场竞争要求制造业快速响应市场的需求，则要求产品设计、制造周期进一步缩短。以计算机技术和信息技术为代表的高新技术正在逐步改善和取代传统的制造模式，形成了全新概念的现代先进制造技术。逆向工程、并行工程、智能制造、敏捷制造、精细制造、虚拟制造等新思想、新概念，新方法层出不穷，快速制造技术就是其中给制造业带来革命性变化的关键技术，随着快速原型、快速制模、快速制造技术的不断成熟，其在制造业中的应用将日益广泛。其中，逆向工程与快速成型技术结合日益紧密，在机械制造业的发展日趋重要。
&&& 针对一现有的样品，利用3D数字化测量仪器准确、快速地将其轮廓坐标量得，并进行三维CAD曲面重构，编辑修改后，传至一般的CAD／CAM系统，再由CAM产生刀具的NC加工路径送至CN加工设备制作所需的模具，或者送到快速成型机(RP)将样品制作出来，这一过程称为逆向工程(reverse engineering)。
&&& 逆向工程与快速成型技术一体化是指在产品的反求和制造时，采用先进的设备与方法以实现产品的快速设计与快速制造，目前，在家电、轻工行业、汽车制造业、医学仿真人体器官模型、艺术雕塑品的仿真等等方面有着广泛的应用。
&&& a)逆向工程与CAD技术的关系
&&& 逆向工程技术是随着计算机技术的发展和成熟及数据测量技术的进步而发展起来的一门新兴学科与技术。它的出现，改变了原来CAD系统中从图样到实物的设计模式，为产品的迅速开发以及快速原型化设计提供了一条新的途径。但是，逆向工程是在原有CAD技术上发展起来的，逆向工程的最终结果是由CAD技术完成和实现的，因此，CAD技术贯穿于逆向工程的大部分过程。
&&& b)逆向工程与快速成型技术的关系
&&& 快速成型技术是制造业发展的关键技术之一，在快速成型中由于逆向工程的应用，使产品的开发周期大大缩短，产品的一次设计加工成功率大大提高，从这个意义上说，逆向工程在快速成型中的应用，大大降低了产品的开发成本，降低了时间和材料消耗，提高了产品品质。逆向工程与快速成型技术相结合，可构成一个闭环的快速产品开发系统，这种快速闭环设计系统在设计评价、装配检验、快速模具制造及直接将原型用于功能试验等方面得到广泛应用。
1 逆向工程数据处理的主要内容
&&& a)数据处理流程
&&& 逆向工程中，在构造CAD几何模型前，需要对数据进行处理，其流程为：对密集采样数据进行滤波；数据点的优化和数据点的聚合；几何模型构造数据拟合和实体建模。
&&& b)逆向工程与快速成型的数据交换
&&& 逆向工程与快速成型的数据交换(图1)，主要包括以下方面：
&&& 1)用逆向技术直接生成STL文件，供RP系统的数据处理软件直接使用，产生NC代码；
&&& 2)利用逆向技术生成层片文件(common layer interface，CLI)文件，这种输出比较适用于对各种CT图像的逆向，并且由于RP本身就是分层制造法，用断层图像或矢量化的层片轮廓信息直接驱动RP设备逐层叠加而成三维实体；
&&& 3)利用逆向技术来重构出实体模型，借助于CAD系统来转化成STL文件。
图1 逆向工程与快速成型的数据交换过程图
&&& 对于快速成型技术来说，逆向工程目的之一在于获得产品的几何造型与结构数据，通过各种三维数字化仪得到零件造型和结构数据后，可以借助三维莺构技术在CAD软件中重新编辑(修改和缩放)再转换成G―Code或STL文件为快速原型制造设备使用，从而可直接加工制作出相应的模具、模型或零件。
2 逆向工程与快速成型一体化
&&& 2．1 一体化流程
&&& 如今，逆向工程成为快速成型制造的重要应用领域，即利用逆向工程得到的实物几何模型，驱动快速原形机制造出与实物原形相同的零件，逆向工程与快速成型技术结合并进行一体化生产已经成为目前快速成型技术研究和应用的重点，其一体化流程见图2。
图2 逆向工程与快速成型一体化流程图
&&& 2．2 关键技术与解决方法
&&& a)三维数据采集技术
&&& 测量物体表面的数据点并再现物体形状，将其应用于制造等领域一直是人们所追求的。逆向工程技术大大地缩短了产品的设计周期，提高了生产效率。目前先进的快速成型技术进行的前提就是有成型对象的三维模型数据。所以物体三维表面测量及重建技术是以上技术实现的第一个步骤，有着重要的理论意义和实际意义。
&&& 三维数据的获取方法基本上可分为两大类，即接触式与非接触式测量方法：
&&& 1)接触式测量方法：接触式测量方法通过传感测量头与样件的接触而记录样件表面的坐标位置，可以细分为点触发式和连续式数据采集方法。
&&& 2)非接触式测量方法：非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。根据测量原理的不同，大致有光学测量、超声波测量、电磁测量等方式，这种方法的一个应用是三维扫描技术，它是一种立体测量技术。与传统的技术相比，能够完成复杂形体的点、面、形的三维测量，能进行高精度的快速无接触测量。已在国防、工业、医学、游戏娱乐等许多领域发挥着极其重要的作用。
&&& b)三维模型重构技术
&&& 逆向工程是基于已有实物模型或零件的测量数据的情况下，进行物体CAD模型重建的过程。在重建过程中存在许多干扰和不确定性因素，如表格误差、测量精度和方式、数据处理方式、表面重构方式等。通常，需要进行人工干预来调整重构模型的表面参数。因此，整个逆向工程过程是一个推理和判断的过程。
&&& 从曲面的三维采样点集恢复出曲面的几何模型称之为曲面重建。曲面重建是许多研究领域如逆向工程、医学图像可视化中的重要问题，也是研究中的热点。目前，在逆向工程中，主要有3种曲面构造方案：1)以B―Spine或NURBS曲面为基础的曲面构造方案；2)以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方案；3)以多面体方式来描述曲面物体。
&&& 曲面重构的关键技术，包括数据采集、数据筛选、曲线拟合、曲面拟合等。在曲面重构过程中，既要保证曲面品质，又要保证设计精度。&&&
阐述了逆向工程与快速成型技术的基本概念，分析了逆向工程数据处理中的主要内容和逆向工程的关键技术与解决办法，介绍了逆向工程在快速成型中的应用。逆向工程与快速成型技术的结合，将使复杂型面的产品设计开发和快速成型周期进一步缩短。
3 逆向工程应用
&&& 利用逆向工程对实物原型三维重构的具体步骤是：
&&& a)点云的采集：数字化测量技术就是利用各种数字化测量手段获取产品原型的三维数字模型(图3)。常用的数字化测量方法主要有两大类：一是非破坏性测量，包括传统的接触式测量法(如三坐标测量法)和非接触测量法(如投影光栅法、激光三角形法、全息法、工业CT法等)二是破坏性测量方法，如自动断层扫描法。激光三角法是目前最成熟，也是应用最广的一种方法，它的测量速度快、精度高、可实现全自动化操作。
图3 产品原型的三维数字模型
图4 对点云数据进行处理
&&& b)创建曲线：本例利用Imageware软件对点云数据进行处理，并对点云曲线进行编辑和修改，使曲线均匀并且兼容(图4)。
图5 生成曲面
&&& e)生成曲面：对曲面进行编辑、验证和修饰(图5)。
&&& d)对生成的曲面进行误差分析：其实质是对生成的曲面与点云数据进行对比分析，比较曲面与点云数据的误差(图6)。
图6 对曲面进行误差分析
&&& 逆向工程技术是基于新的设计思想和方法，在计算机技本、数控测量技术和CAD／CAM技术发展基础上产生的一项新技术，其与快速成型技术的结合和一体化，使复杂型面的产品设计开发和快速成型周期更短。逆向工程技术不仅仅是仿形设计和制造技术，而是在原型产品的基础上进行二次设计和加工，是更高层次的设计技术，这一技术使产品模型得到精确的表达和再现，为产品的进一步分析、优化和制造确立了统一的对象，今后，在产品快速设计开发和复杂型面的快速成型方面将产生重大的意义。
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一种可并行逆向工程处理的设计模式
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&&建​立​一​种​可​并​行​逆​向​工​程​处​理​的​抽​象​机​设​计​模​式​,​并​通​过​测​试​说​明​使​用​该​模​式​可​以​减​少​处​理​时​间​。
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