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0 引言
逆向工程技术与传统的产品正向设计方法不同。它是根据已存在的实物样件进行三维扫描，得到大量的点云数据，对点云数据进行处理重构实物样件的三维模型。在此基础上对已有产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计。快速成型技术是20世纪末发展起来的一项先进制造技术。它借助计算机、激光、精密传动和材料等现代手段，绕过了计算机辅助工艺设计(CAPP)，直接将计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)集成一体，根据计算机上构造的三维模型，能在很短时间内直接制造出产品样品。
1 逆向工程与快速成型的一体化一般步骤
(1)数据的测量
实物样件的数字化通常采用三坐标测量机或激光扫描等测量装置来获取其表面点的三维坐标值。大量点构成了一组点的集合，称为点云。这些点云文件一般以公共的文件格式保存，如IGES格式、STL格式、STEP格式和Parasolid格式等，以便逆向工程软件读入。
(2)数据的预处理
主要工作包括点云数据平滑，噪声数据、异常数据的去除，压缩和归并冗余数据，遗失点补齐，数据分割，多次测量数据和图像的数据定位、对齐，对称零件的对称基准重建等。经过数据预处理之后，一般可有效地提高测量数据的精度。
(3)三维数据的重构
从测量数据中提取实物原件的几何特征并按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法，来获取实物原件所具有的设计与加工特征。实物原件CAD模型的重建是将分割后三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取实物原件的CAD模型。
(4)误差分析
重建CAD模型的检验与修正采用根据获得的CAD模型与原始点云数据进行比较方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其它试验性能指标的要求，对不满足要求者需改进重建方法以获取更高的精度，直到满足产品设计要求。
(5)快速成型制作
快速成型制作是将制造数据传输到成型机中，快速成型出实物原件的过程，它是快速成型技术的核心。快速成型机加载成型数据文件，选择工艺参数，选择制作模式，开始零件的加工工作。它是将CAD模型在某个方向上分成一系列具有一定厚度的薄层，再将每层的几何形状信息转换成控制成型机运动的数控(NC)代码，成型机根据控制指令进行三维扫描，同时进行层与层的粘接。
2 关键技术与解决方法
关键技术与解决方法主要有以下3个方面：
(1)三维测量技术
测量设备的发展趋势是向着高速、高精度、系统化、集成化、智能化的方向发展，对传统的三坐标测量机，一方面是提高测量速度，另一方面发展了三坐标机与光学组合的自动测量系统。但是现在的测量仍然是一个孤立的过程，并没有考虑后续的模型重建和数字化加工的要求，如果能够根据几何外形基于特征进行实物原件的进行扫描和测量，可以减少大量无用的点云数据，以便更好、更快的三维重构。很多的测量设备的一个致命的缺点就是无法测量物体的内部轮廓。使得其在快速造型技术中的应用范围受到了较大的限制。
(2)文件格式的转换
现在RP成型系统常用的两种数据格式：三维面片模型格式、CAD三维数据格式。前者是为三维重构开发的，而后者主要是为RP技术开发的。三维数据格式可以精确的描述CAD模型，面片模型是对三维CAD模型进行切片后的到的数据格式，在每一层上用折线代替CAD模型中的曲线，曲线的描述精度要比线性描述精度要高。这也就导致了CAD数据模型转换三维面片数据模型时产生了误差，也是造成成型部件产生台阶效应的直接原因。
除此之外，以三维面片模型格式存储的文件通常比CAD三维数据格式的文件大许多倍，并随着通近精度的提高而增大；对于表面变化过陡的模型。逼近的效果差，误差大；在CAD模型转换成三维面片模型格式(如STL文件)过程中，容易出现各种缺陷，需要专用软件进行修补，因而由STL文件难以恢复原CAD模型。
(3)快速成型技术
RP技术实现了成型的复制性、互换性高；高效率，高度的柔性，制造工艺与制造成型的几何形状无关，可迅速制造出自由曲面和任意复杂形态的零件。但是目前快速成型材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能满足功能性、半功能性零件的要求，必须借助于再处理或二次加工，所以一般成型产品只能作为模型，不能用于实际工作零件。此外，快速成型材料的价格都比较贵，造成生产成本较高，因此，必须加强对快速成型新材料的研究与开发工作，既要提高新材料的性能，又要尽可能地降低成本。
3 逆向工程的应用
3.1 三维数据的扫描
由于喷头的形状是柱体，无法一次完成整个喷头表面的扫描工作。因此把喷头分成上下两部分扫描，分别得到两个点云文件，然后在扫描仪软件中通过两个点云数据的公共参考点把两个点云文件拼合为一个文件。扫描时每幅照片至少有3个以上的参考点，否则无法拼合。图1为扫描完成后经过点云对齐、光顺和稀化后得到喷头的点云文件。
图1 喷头点云数据
3.2 点云数据的处理及三维重构
图2 拟合的外轮廓曲线
Imageware软件读取点云数据后，选择喷嘴平面作为基准平面，以喷嘴处的截面圆的圆心作为坐标系得原点。喷头有喷嘴和手柄两部分组成，且两部分形状差异较大，将点云分割成喷嘴和手柄两部分。用截面分别提取喷嘴和手柄的外轮廓线点云，拟合出光滑的曲线并检查其精度。以此曲线为轴线，用更多的截面提取一系列的外轮廓线点云，截面的多少取决于外轮廓线曲率变化的大小，曲率变化越大，用的截面越多，曲率变化小，用较少的截面就可以保证其精度。最后拟合出一系列的外轮廓曲线(图2)。根据拟合出的特征曲线分别重构出喷嘴和手柄的三维模型，再将两部分缝合在一起，最终完成喷头的三维造型(图3)。
图3 喷头的三维造型
3.3 重构精度的分析
Imageware提供了强大的误差分析功能，可以分别对重构的线、面与原始点云进行比较，并以不同的颜色显示误差的大小，比较结果很直观。图4彩色云图形式显示三维模型和扫描的点云之间的偏差，并可以读出最大偏差值和平均偏差值。如果某些部位的偏差过大，可以直接对三维模型进行修补，或是重新拟合特征曲线，直到达到满意的结果。
图4 三维模型和扫描的点云之间的偏差
4 结束语
逆向工程与快速成型制造相结合，将从根本上改变传统产品的开发设计、制造模式，解决了一些复杂形体的三维建模，难以加工出实物模型的问题，实现了产品的快速三维拷贝，形成了一个包括设计、制造、检测的快速设计制造闭环反馈系统。这就大大缩短了产品的设计、生产周期，成本也会随之大幅度的降低。但从目前逆向工程的发展水平来看，仍存在很多问题，如逆向工程在各环节上的某些算法精度还不高，三维实体测量得到的数据量很大，数据处理与三维重构需要较长时间、数据格式转换精度丢失，快速成型的材料价格较高，成型精度还不够，成型产品大多只能作为模型。因此，技术必将在现在的基础上，不断开发出新的工艺、材料及智能化相关技术，朝着精密化、低成本、标准化方向发展，并应以能直接生产半功能性、功能性零件为目标。
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