一、引言
为了适应先进制造技术的发展，快速原型(RP )系统、计算机辅助制造) C0mPuter AidedManufacture，CAM )系统、产品数据管理)产品数据管理从样品到数据，到产品。 逆向工程是为制造业提供新的高效重构手段，实现从实际物体到几何模型的转换。
CATIA软件是法国DassauIt公司开发的产品。 CATIA软件具有完整的设计能力和巨大的专业知识，是一个涵盖产品设计各个方面的集成APP应用软件包。 计算机辅助设计(CAD )、计算机辅助工程分析(CAE )和计算机辅助制造(CAM )提供了支持各种类型的协同产品设计所需的功能， 也可以无缝集成以支持完全“端到端”企业流程解决方案的波音公司利用该软件成功实现了波音777客机的无纸化设计。 国内各主机的电子样机也是用该软件设计制作的。 在CATIA软件中，数字形式编辑器模块(数字形状编辑器)、快速曲面重构模块(快速曲面重构10 n )是专用于逆向工程的三维模块随着CATIA软件在国内制造领域市场份额的不断提高和技术的普及，其良好的集成环境和强大的曲面设计能力使得越来越多的人开始对CATIA软件进行逆向工程。
二、逆向工程的定义
“逆向工程”(Revers Engneering，RE )又称逆向工程、逆向工程等，来自精密的测量和质量检测。 广义逆向工程是消化、吸收先进技术的一系列工作方法的技术组合，是跨学科、专业、复杂的系统工程。 它有三个方面：图像反向、软件反向和实物反向。 目前，关于逆向工程的研究大多主要集中在实物逆向工程上。 也就是说，产品实物的CAD模型重构和最终产品的制造被称为“实物逆向工程”。 从该实物样品中获取产品数学模型制造新产品的相关技术，已成为CAD/CAM系统中的研究和应用热点，并已发展到相对独立的领域。 从这个意义上讲，“实物逆向工程”(简称逆向工程)是将实物转换为CAD模型的相关数字化技术、几何模型重构技术以及产品制造技术的总称，是将现有的产品或实物模型转换为工程模型和核心这一设计过程与传统设计过程完全不同，两者的比较如图1所示。
三.逆向工程的应用
逆向工程的需求主要有两个方面。 另一方面，作为研究对象，产品实物是面向消费市场最广泛、最多的设计成果。 也是最容易获得的研究对象，而在产品开发和制造过程中，计算机几何建模技术得到广泛应用，但有很多产品，由于各种原因，最初并未在计算机辅助设计模型中进行描述，设计和制造商面临的是实物样品。 在机械制造领域应用多年的抄表技术是逆向工程发展的基础，但近年来逆向工程的内涵已经有了很大的发展，逆向工程已成为产品开发中不可缺少的一环，其应用范围如下
1 .在对产品外形美学有特殊要求的领域，为了便于评价产品的美学效果，设计师采用油泥、粘土或木等材料进行快速、大量的模型制作，以实体表达想要表达的意向，而不采用在电脑屏幕上显示缩小的物体投影视图的方法此时，如果根据造型师制作的模型快速制作三维CAD模型，就必须引进逆向工程的技术。
2 .在设计必须通过实验测试的工作模型时，通常采用逆向工程的方法。 例如，在航空航天、汽车等领域，为了满足产品对空气动力学的要求，首先要求根据实体模型、缩比模型经过各种性能测试(风洞试验等)建立符合要求的产品模型。 这类产品通常由复杂的自由曲面拼接而成，最终确认的实验模型必须通过逆向工程转化为产品的三维CAD模型及其模具。
3 .如果没有设计绘图或设计绘图不完整，以及没有CAD模型，则通过测量零件的原形，创建零件的设计绘图或CAD模型，以此为基础生成NC加工的NC代码或高速加工所需的数据，然后复制同一零件。
4 .模具行业为了得到符合要求的模具，需要反复修改原始设计的模具型面。 但是，这些几何外形的变化没有反映在原始的CDA模型中。 借助逆向工程的功能以及在设计和制造方面的ngdbm，设计人员现在可以创建或修改在制造过程中更改的设计模型。
5 .流线型产品、艺术浮雕、不规则线条等基本几何形状往往难以界定，利用通用CAD软件，正向设计和重构这些物体的CAD模型，在功能、速度、精度方面非常困难。 在这种情况下，必须引入逆向工程以加快产品设计并降低开发难度。
6 .逆向工程在新产品的开发、创新设计中同样具有相当高的应用价值。 利用逆向工程技术，可以在现有国内外先进产品的基础上，进行结构性能分析、设计模型重构、再设计优化和制造，吸收和改进国内外先进产品和技术，大大缩短产品开发周期。
四.逆向工程系统结构
逆向工程系统是计算机辅助测量(CAT ) /计算机辅助设计(CAD ) /计算机辅助制造(CAM ) /计算机辅助工程分析(CAE )等先进计算
机辅助技术集成应用的一个典型例子，也是计算机集成制造系统(CIMS)研究的一个重要分支。逆向工程系统的组成框架如图2所示。从逆向工程系统框架图中可以看出，逆向工程系统主要由三部分组成：产品实物几何形状的数字化子系统、三维CAD模型重建子系统、产品或模具的制造子系统。
1．产品实物几何外形的数字化系统产品表面的数字化又 称数据测量，是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转化成离散的几何点坐标数据，在此基础上，就可以进行复杂曲面的建模、评价、改进和制 造。因而，高效、高精度地实现样件表面的数据采集，是逆向工程实现的基础。目前用来采集物体表面数据的设备和方法多种多样，其原理也各不相同。不同的测量 方法，不但决定了测量本身精度、速度和经济性，还使得数据类型和后续处理方式不尽相同。逆向工程三维数据从获取取方法基本上可分为接触式和非接触式。三坐 标测量机(CMM)是一类使用得最为广泛的接触式测量设备，它具有噪声低、精度高、重复性好等优点，非常适合于检测系统，其缺点是：速度慢、效率低。另一 方法是非接触式，测头不接触待测物体的表面，它利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取其三维信息，其数据传递介质有激光、声披、电磁场等，其中 应用光学原理发展起来的现代三维形状测量方法应用最为广泛，如为媒介激光三角形法、结构光洁、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法等。非接触式测量的特 点是测量速度快，因而可以相当密集地对产品表面进行测量，形成所谓的“点云”数据。从逆向工程设计而言数据采集方式及设备主要根据采集精度、采集速度、采 集完成性、及测量成本来选择。
2．三维CAD模型重建子系统 在逆向工程中，由于后续产品加工制造、快速原型制造、虚拟制造仿真、工程分析和产品再设计都需要CAD数学模型支持，所以实物的三维CAD模型重建是逆向 工程设计过程中最关键、最复杂的一环。国际市场上主要的逆向工程软件有：Imageware、GeomagicStud io等，在CATIA、UG、Pro/E等流行CAD/CAM软件中都集成了类似模块。由于CATIA软件在航空工业领域的特殊地位，以及其强大的集成设 计功能，本文只介绍CATIA软件三维模型重建方法。CATIA软件逆向三维模型重建过程见图3所示。
(1)点云数据输入与预处理
CATIA可以接受任何格式的点云数据(如ASII、STL、IGS、IGES等)。CATIA对点云数据的预处理主要包括以下几个方面：
点云的导入、激活；将扫描数据读入数字化外形编辑模块，当点云数据量大时可以只激活一部分点云进行编辑，减小机器运算负荷(如图4、5所示)。
点云过滤、删减；目前激光扫描采集技术所测量点数目非常庞大，对这样的点云在保证一定精度的前提下，进行点云过滤能够提高处理速度。一般在曲面曲率变化缓 慢的地方减小点数量，在曲率变化较大的地方密集取点。CATIA点云过滤有两种方式：公球差法、弦高差法(如图6、7、8所示)。点云删减主要是为了删除 那些在测量过程中作为缓冲区的多余的点。点云对齐、合并等；对大物体进行数据扫描时，由于扫描机无法～次取得完整点云数据，就需要在CATIA中进行各部 分点云数据对齐与合并操作。点云对齐有两种方法：利用对准球对齐，要求数据测量者在测量时对前后两次测量重叠部分加入记号，即校正圆球；利用点云对 齐，CATIA会试着将两个点云区块重合达到对齐目的。
当然现在一些比较先进的三维扫描设备自带数据处理软件就能够实现分部扫描数据合并工作，它作用原理是坐标变换，即要求统一坐标系，当测量设备移动时先确定测量设备在统一坐标系位置，再通过坐标换算将分步测量数据换算到同一坐标系下，这种点云数据完整性、可靠性较高。
(2)网格面生成与优化
CATIA点云网格面是以NURBS(有理非均匀有理B样条)曲面为基础拟合点云数据，网格面作用既可以为后续特征线、边界线构建提供基础，也可以在精度 要求不高的情况下直接作为数控加工NC码输出曲面。网格面生成、优化主要包括：铺面、补洞、偏移、三角网格边线修正、网格平滑、网格清理、网格删减等(如 图9~图12所示)。
(3)交线创建
创建重构曲面模型所需要的交线，这里交线的概念不是真正几何意义上的线，它是一个“线带”这个“线带”由离散的点云构成(如图13所示)。线带公差范围越小最终所拟合出曲线越精确，反之则粗糙。CATIA交线创建有四种方法：
曲线投影，通过空间曲线按一定矢量方向投影到网格面上生成曲线如图14所示：
截面线，通过一组平行平面切割网格面获得交线，这是一种比较常用的曲面构造方法，通过截面线放样能够还原出复杂曲面模型(如图15所示)：
点云交线，通过连接网格曲面相交位置的点云获得交线(如图16所示);
自由边界，直接提取网格面所有自由边界线(如图17所示)。
(4)边界曲线、特征曲线重构
通过对交线的拟合创建构成曲面必须的边界曲线，特征曲线。CATIA提供了强大的集成环境，可以在这个集成环境中通过任意个模块来构建重构曲面所必须的边 界曲线和特征曲线，一般来说最常用的两种方法是空间3D曲线自由构建法，交线转换曲线法(如图18. 19所示)。
(5)模型曲面重构
在已有的边界曲线、特征曲线基础上通过快速曲面重构模块、创成式曲面造型模块、自由曲面模块完成模型曲面重构。在已有边界线、特征曲线的前提下，除常用的 “正向”设计方法外，CATIA体统了强大自适应拟合工具及基本曲面辨识工具。适应拟合工具对复杂曲面，能够在边界线确定条件下，自动根据边界内点云数据 拟合出曲面(如图20所示);基本曲面辨识工具能够自动辨识常用规则曲面。
(6)模型曲面分析
CATIA提供了全面、完善的曲线、曲面分析工具。主要有:
距离分析，分析两个物件之间的距离并用色阶形式显示，能够检查出重构模型曲面与数据点云之间误差。
曲率分析，通过高斯曲率、截面曲率、切矢、双向曲率、法向矢量等分析方法来检查曲线、曲面质量。
反射线法、高光线法、等照度法、焦点曲面法，通过这些先进的光学检测方法，能够将曲面细微的缺陷放大以便能够直观的判断曲面的连续性和凹凸性。
3.产品或模具制造子系统
在完成实物的CAD三维模型重构后，可以直接在CAD软件模具设计模块进行模具设计(CATIA的Mold ToolingDesign为模具设计模块)或通过数控加工制造产品，也可以通过快速原型制造技术(Rapid Protyping Manufacturing)来直接制造原型和模具。
五、结束语
随着计算机技术及测量技术的发展，利用CAD/CAM技术、先进快速制造技术实现产品实物的逆向工程，已成为CAD/CAM领域的一个研究热点。作者对基于以CATIA的逆向工程在飞机改装设计、生产中的应用有以下展望:
(1)无图纸飞机逆向建模改装设计技术;
(2)对国内外先进技术产品的模型仿制，结构、气动分析与改进;
(3)基于CATIA逆向工程的数控加工、快速制造;
(4)基于逆向工程的复合材料加工制造。
这些应用的实现需要两个因素:一是基础设备购建，如实物模型测量设备、数控加工、快速制造设备。二是设计人员素质的提高，设计人员需掌握先进设计方法，了解新的加工工艺、制造技术。