概要
逆向工程是指將實體部件拆解并測量的過程，目的是要了解部件的設(shè)計、工作原理、制造方式。逆向工程的對象可以是任何物體，巨型航空母艦或建筑結(jié)構(gòu)，也可以是瑞士手表上的一組微型聯(lián)鎖齒輪。
為何使用逆向工程？
分析優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、制作替換部件、設(shè)計新產(chǎn)品
如何采集數(shù)據(jù)？
使用三維掃描儀、CT掃描儀，或三坐標(biāo)測量機
逆向工程的用戶有哪些？
汽車定制專家、產(chǎn)品設(shè)計師、研究人員（醫(yī)療、工業(yè)）等
簡介
傳統(tǒng)的設(shè)計工作流程是"從無到有"，從零開始創(chuàng)造一件產(chǎn)品。而在逆向工程中，我們從一個現(xiàn)成的機器或部件開始，倒推流程，直接或采用間接的數(shù)字方式，一步一步，對每個部件或?qū)哟芜M(jìn)行拆解。
逆向工程的目的通常是要創(chuàng)建可操作的三維CAD模型，如果進(jìn)展順利，逆向工程可以提供設(shè)計信息，助您實現(xiàn)以下目標(biāo)：
· 通過快速成型制造技術(shù)等方式，對傳統(tǒng)設(shè)備和部件進(jìn)行再創(chuàng)造
· 對零件和機器進(jìn)行故障分析，并根據(jù)需要重新設(shè)計
· 深入分析競品優(yōu)缺點
· 為缺貨、成本昂貴或等待周期較長的部件輕松制作復(fù)制品
· 優(yōu)化現(xiàn)有部件和系統(tǒng)的性能
· 根據(jù)設(shè)計信息，研發(fā)全新產(chǎn)品
· 等等
逆向工程的數(shù)據(jù)采集
Artec Eva為退役建筑機械的圓形組件進(jìn)行三維掃描。三維掃描之后被導(dǎo)出至Geomagic Design X逆向工程軟件中，并作為制作實體模型的參考，制造替換零件。
在逆向工程領(lǐng)域，盡管偶爾也會采用其他數(shù)據(jù)采集方法，但無論是手動還是數(shù)字化方式，到目前為止，流行的是三維掃描、CMM機器和CT掃描這三種方式。每種方法各有千秋，如何選擇主要取決于您的應(yīng)用場景、預(yù)算、技術(shù)使用經(jīng)驗和項目周期。
Artec Eva掃描儀制作的圓形組件3D網(wǎng)格模型
圓形組件CAD模型，可用于逆向工作
CT掃描
CT掃描是捕獲物體內(nèi)外部測量值的有效方式，通常被認(rèn)為是醫(yī)療診斷的可靠工具。但是，在特定環(huán)境和應(yīng)用中，CT掃描也是逆向工程的可行方案。CT掃描儀發(fā)射X射線穿過物體，大多不受視線的影響，可以捕捉內(nèi)部特征、孔洞和空隙。 CT掃描儀通常發(fā)射X射線錐體，或X射線切片，然后將許多不同層次的數(shù)據(jù)組合成一個完整的3D模型。
EasyTom工業(yè)級CT掃描儀，CyberOptics Corporation供圖
但CT掃描儀并非沒有缺點。由于CT掃描利用輻射穿透被掃描的物體，所以，要捕獲的物體需要能放入CT掃描儀的掃描架內(nèi)，掃描架被牢牢密封起來，防止輻射泄漏，傷害操作人員。正因如此，CT掃描不適合大多數(shù)大中型物體。
要點：
雖然CT掃描儀的優(yōu)勢在于能夠同時捕獲物體的內(nèi)外表面，但目前這種技術(shù)只適用于一小部分工業(yè)品。
一臺可靠的CT設(shè)備價格可高達(dá)25萬美元以上。除了價格不菲外，操作人員還需要經(jīng)過專門的培訓(xùn)。CT掃描儀在掃描金屬物體，甚至只是帶有金屬部件的物體時，還會偶爾出現(xiàn)缺陷。這是因為金屬會吸收和發(fā)散X射線，當(dāng)X射線照射到金屬部件或部分表面時，會在掃描中產(chǎn)生條紋偽影。這嚴(yán)重影響了掃描精度。低密度金屬（如鋁）會比鐵質(zhì)材料（如鋼）更容易掃描。
簡而言之，除非您的掃描對象身材小巧、全塑料材質(zhì)或是低密度金屬零件，否則您就得花數(shù)小時的時間來處理掃描，專門用來去除偽影，試圖復(fù)原掃描對象的實際測量值，也可能由于零件尺寸或材料密度的原因，根本無法掃描對象。
接觸式測量（CMM機器）
眾所周知，三坐標(biāo)測量機（CMM）能為檢測和逆向工程提供高的精度。它們采用預(yù)編程或由操作員控制的探頭來記錄物體表面的XYZ坐標(biāo)值，一步步為物體幾何構(gòu)建三維形象。
兩位工程師正使用CMM機檢測機械部件
在有效合理使用的情況下，CMM機是一項成本不菲、功能強大的解決方案，能捕獲許多不同大小和材料的物體。
大多數(shù)CMM機都非常笨重，通常固定在某處，很難移動至倉庫或公司的其他地方。這也意味著，您無法前往客戶所在地為其掃描，如果便攜式CMM機精度不夠，需要大型CMM機來湊的時候，您也不能帶著它搭國際航班。另外，CMM設(shè)備的操作人員需要接受一定培訓(xùn)，還要花大量時間來安裝設(shè)置、重新編程，而且設(shè)備會因意外的踢打、碰撞和振動而大受影響，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)，很可能會毀掉整個測量項目。
要點：
CMM機的觸發(fā)式探頭直接接觸物體表面，能確保采集的3D數(shù)據(jù)異常準(zhǔn)確。但其缺陷就是：機器無法探測探頭無法接觸到的表面；對各種材料可能造成永久性的損害；數(shù)據(jù)采集速度低等等。
由于大多數(shù)常用CMM機探頭都需要與被測物體反復(fù)接觸，因此需要提醒一點，這樣的操作存在損壞物品的潛在風(fēng)險，而且可能出現(xiàn)不夠準(zhǔn)確的情況。很多材料都可能受到CMM機探頭的損傷，例如劃痕、刮痕以及污點。在處理昂貴或珍貴的物品時，例如博物館、私人收藏品和其他高價品，這類風(fēng)險是絕對不能接受的。
就精度而言，在接觸橡膠或硅膠等軟表面時，探頭很容易使物體變形，即便沒有造成損壞，也會導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確。更麻煩的是，如果測量物體有凹面或其他難以接觸的部分，CMM探頭無法靠近，無法進(jìn)行充分的接觸，那么就必須通過CAD手動重建，這也會在一定程度上引入誤差。
三維掃描
對于全世界成千上萬的用戶來說，專業(yè)桌面式、手持式和三腳架式三維掃描儀都是逆向工程等應(yīng)用的好選擇。CT掃描儀和CMM機的特點是價格高，笨重難移動，而且學(xué)習(xí)曲線陡峭，而優(yōu)秀的三維掃描儀則完全相反。
結(jié)構(gòu)光掃描
結(jié)構(gòu)光三維掃描儀首先對掃描物體表面發(fā)射閃爍的光線。光線反射到掃描儀傳感器上，檢測出因物體結(jié)構(gòu)變化造成的光線扭曲，并在掃描儀軟件中轉(zhuǎn)化為數(shù)字形象。這種數(shù)字復(fù)制品，以三維多邊形網(wǎng)格形式呈現(xiàn)，可用來創(chuàng)建逆向制作物體的CAD模型。
Artec Leo對沃爾沃XC90底盤進(jìn)行三維掃描，對SUV的排氣系統(tǒng)進(jìn)行逆向工程。
結(jié)構(gòu)光三維掃描儀的主要優(yōu)勢之一就是捕獲速度。與CMM機或攝影測量法相比，專業(yè)結(jié)構(gòu)光三維掃描儀甚至可以在短短幾分鐘內(nèi)捕獲大型物體，精度達(dá)到亞毫米級，而且無需接觸。用光束掃過掃描物體時，不同掃描儀捕獲速度不同，約為每秒100萬到300萬點。
Artec Studio處理沃爾沃XC90底盤掃描
使用結(jié)構(gòu)光三維掃描儀，還能在筆記本電腦或掃描儀屏幕上即刻看到已經(jīng)捕獲的物體區(qū)域，以及正在掃描的面積。如果錯過某個點，只需再揮動一兩下掃描儀就能順利彌補。
結(jié)構(gòu)光三維掃描儀使用安全，不僅操作人員安全，圍觀人員和被掃描人員也同樣安全。這就是為什么結(jié)構(gòu)光三維掃描儀在醫(yī)療領(lǐng)域被廣泛接受的原因。
激光掃描儀捕獲大型物體或完整場景
三腳架三維激光（LiDAR）掃描儀能分為兩類：飛行時間與相位式掃描儀。飛行時間型（ToF）掃描儀將激光射向室內(nèi)或室外的物體與場景，然后測量光線反射到掃描儀傳感器所需的時間，以此來計算掃描儀與物體間的精確距離。感應(yīng)器還會檢測反射光強度。
而相位掃描儀周期式發(fā)射激光脈沖。激光脈沖反射至掃描儀傳感器，通過特殊的處理算法測算相位延遲，以計算掃描儀與物體/場景間的精確距離。
用三腳架支撐Artec Ray，對近海船舶的甲板進(jìn)行三維掃描。
根據(jù)接收的數(shù)據(jù)，以高分辨率點云的形式為物體或區(qū)域進(jìn)行數(shù)字渲染。掃描軟件可以將這些點云轉(zhuǎn)化為多邊形網(wǎng)格。隨后，這些網(wǎng)格可用于各種用途，包括生成逆向工程CAD模型、進(jìn)行虛擬飛行瀏覽、構(gòu)建平面圖等。
激光遠(yuǎn)距三維掃描儀可以輕松捕獲大型和巨型物體與場景，且精準(zhǔn)度令人驚嘆。工作距離支持1米到100多米，像這類優(yōu)秀的掃描儀已經(jīng)開始為汽車、噴氣式飛機、超級游艇，甚至整個工廠車間制作計量級3D模型。
利用強大的三維掃描軟件，遠(yuǎn)程激光掃描儀捕獲的數(shù)據(jù)可以與手持式三維掃描儀的數(shù)據(jù)輕松合并，來制作一個包含物體或場景所有幾何與表面的完整3D模型。比如，使用遠(yuǎn)距離激光掃描儀捕獲飛機完整結(jié)構(gòu)，再使用手持式三維掃描儀采集駕駛艙和機艙的儀表盤與其他精密細(xì)節(jié)，從而實現(xiàn)現(xiàn)代客機的逆向工程。
操作簡單，無限可能
遠(yuǎn)距激光、桌面式和手持式結(jié)構(gòu)光三維掃描儀操作十分方便，即使是學(xué)生也能在短短幾小時內(nèi)學(xué)會如何捕獲各類尺寸的物體。掃描儀便于攜帶，因此適合室內(nèi)外使用，也方便前往客戶所在地。
與CT掃描儀和CMM機所需的工作時間相比，桌面式和手持式三維掃描儀捕獲同樣的物體，只需要很短的時間，從而大幅降低操作人員的疲勞程度，提高生產(chǎn)力。三腳架激光掃描儀甚至可以解放雙手。您只需將三腳架放在合適的掃描位置，然后啟動掃描程序。
要點：
對于絕大多數(shù)逆向工程項目而言，優(yōu)秀的三維掃描儀速度快、使用安全且方便，精度達(dá)亞毫米級，能應(yīng)對從小到大的各類物體。
根據(jù)掃描物體或區(qū)域的特點，可根據(jù)需要重復(fù)操作，實現(xiàn)表面全覆蓋，包括凹面和組件。
綜上所述，涉及到逆向工程時，無論是一枚鉆戒還是重型機械、飛機、建筑物等巨型物體，專業(yè)的桌面式、手持式和遠(yuǎn)程三維激光掃描儀都是成熟的解決方案，讓您出色完成任務(wù)。
逆向工程中的三維掃描：應(yīng)用場景
首先，我們通過三個案例（汽車定制、農(nóng)業(yè)設(shè)備、高性能自行車設(shè)計），來了解不同行業(yè)如何利用三維掃描進(jìn)行逆向工程。
West Coast Customs
這是一家位于加州的世界知名汽車定制店，每當(dāng)他們需要重新制作老舊零件，或為其新一輪設(shè)計項目提供獨特的擋泥板、格柵、前照燈、車身或其他零件時，他們都會配合Geomagic Design X和SOLIDWORKS軟件，使用專業(yè)手持式三維掃描儀。
West Coast Customs設(shè)計師用Artec Eva掃描Polaris Slingshot
過去，他們依靠卷尺和卡尺完成測量工作，經(jīng)常需要反復(fù)測量。和漫長的手動操作過程相比，新方法有了質(zhì)的飛躍，許多汽車零件很難通過這樣的線性方法進(jìn)行準(zhǔn)確測量，而優(yōu)秀的三維掃描儀甚至可以輕而易舉地采集復(fù)雜的表面與幾何。
有了操作簡單的掃描儀，West Coast Customs可以在短短幾分鐘內(nèi)捕獲他們要定制的任何部件或物體，精度高達(dá) 0.1 毫米。之后，他們將掃描結(jié)果導(dǎo)出至CAD系統(tǒng)，當(dāng)天即可設(shè)計修改。根據(jù)這些"數(shù)字藍(lán)圖"，他們可以3D打印或數(shù)控加工任何需要的部件。
Taylor Attachments
傳統(tǒng)農(nóng)機設(shè)備客戶多年來一直在聯(lián)系這家英國定制替代頭架的設(shè)計者與生產(chǎn)商。這些支架可安裝在各種農(nóng)用機械上，比如反鏟、草叉、鋸子、刺捆機等。幾年前，Taylor的專家需要7-12個小時，才能對每件傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行逆向工程，通過筆、紙、直尺和卡尺等進(jìn)行手工測量，在紙和紙板上艱難地描畫出測量結(jié)果，然后制作幾個原型進(jìn)行測試和修改。
Taylor Attachments使用Artec Eva掃描支架
但這樣的方式，每個部件都需要2-3周才能完成，而且制作過程充滿了不確定性，需要反復(fù)微調(diào)。但現(xiàn)在，他們的工藝流大不一樣。 短短20分鐘，他們就能用手持式三維掃描儀Artec Eva對整個支架完成高分辨率三維掃描。再用Artec Studio軟件處理20分鐘，就能得到一個完美的3D模型。隨后，3D模型可導(dǎo)出至SOLIDWORKS，進(jìn)行最后的潤色，然后將CAD模型發(fā)送給合作商進(jìn)行激光切割。
Taylor Attachments的替換裝載機支架等待安裝
最后不到24小時，就從頭到尾精準(zhǔn)完成了所有任務(wù)。與傳統(tǒng)方式相比，他們節(jié)省了幾天甚至幾周的時間，更不用說那些數(shù)不清的困難與挫折了。
Vorteq WX-R高性能場地車
這家英國體育研發(fā)公司打算制造地球上速度快的場地車，從那一刻起，他們就知道這一目標(biāo)的實現(xiàn)離不開三維掃描儀。剛開始，Vorteq的工程師通過手持式三維掃描儀逆向設(shè)計了一系列專業(yè)騎手的自行車，每輛自行車的捕獲時間不到一分鐘。
Artec Leo在風(fēng)洞中對騎手和自行車進(jìn)行三維掃描
隨后，這些亞毫米級的三維掃描被轉(zhuǎn)化為3D模型，并在公司的CFD（計算流體動力學(xué)）系統(tǒng)中進(jìn)行分析，研究每輛自行車的空氣動力阻力。之后，工程師們對3D模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，盡可能提高它們的性能。之后，根據(jù)所有自行車，總結(jié)出結(jié)構(gòu)，并將這些結(jié)構(gòu)匯總到一輛車上。
Vorteq WX-R場地車（Vorteq供圖)
盡管Vorteq公司工程師有豐富的計量工具使用經(jīng)驗，但他們還是將手持式三維掃描儀作為日常工作的首選解決方案。對于WX-R自行車項目而言，他們明白，想用卷尺和標(biāo)尺精準(zhǔn)測量專業(yè)賽車的復(fù)雜表面和零件，將耗費好幾個小時，還要不斷反復(fù)核查。
三維掃描儀參與逆向工程后，他們及時完成了項目，幾周后，第一批WX-R場地車就出廠看。下一站目標(biāo)：奧運會!
逆向工程中的三維掃描：工藝流
雖然具體工藝流因公司而異，但三維掃描儀進(jìn)行逆向工程的工藝流大致如下：
準(zhǔn)備掃描物體
如果掃描物體有透明或反光部分，可能需要在掃描前為物體使用顆粒精細(xì)的消光噴霧。這步操作能提高精確度，還能大幅減少掃描處理時間。根據(jù)項目周期，您可以選擇幾小時后自然揮發(fā)、不留任何痕跡的噴霧，也能選擇可洗噴霧，用于時間跨度長的項目，之后再手洗清潔。
即將用Artec Eva掃描的Superformance GT40高反光車頭
現(xiàn)在還要確定掃描物體的位置。較小的物體可能要放在旋轉(zhuǎn)臺上，或者如果使用桌面式三維掃描儀，就要將物體放在掃描平臺上，也能使用Blu Tack等粘性材料。此外還要確保掃描時有足夠的空間讓您走動，除非使用的是無線手持式掃描儀，沒有電纜或其他設(shè)備限制您的行動。
捕獲大型和超大型物體可能需要遠(yuǎn)距激光掃描儀。這種情況下，重要的是將掃描儀放置在合適的位置上，便于捕獲物體或區(qū)域。確保掃描儀移動后的位置同樣合理，掃描數(shù)據(jù)能有足夠的重疊，覆蓋全面。在操作現(xiàn)場，對于因有凹面或遮擋而沒有完全捕獲的物體及場景，可以通過掃描軟件查看掃描結(jié)果，及時發(fā)現(xiàn)并補救。
開始三維掃描
捕獲物體的時間可能只要幾秒，也可能一小時或更久，這取決于三維掃描儀的能力以及掃描物體的尺寸和復(fù)雜程度。需要指出的是，一臺掃描儀不可能勝任所有逆向工程任務(wù)。
例如，手持式三維掃描儀可以捕獲一套傳家的珠寶，特別是亞毫米級精度的掃描儀，但如果您有很多這樣的珠寶，還要定期掃描，怎么辦呢？更好的辦法就是使用桌面式自動三維掃描儀，專為小型物體捕獲而設(shè)計。
調(diào)試Artec Micro桌面式三維掃描儀，準(zhǔn)備掃描。
同樣，如果打算對汽車車身或摩托車進(jìn)行逆向工程，您會希望能有一臺掃描范圍更廣、捕獲速度更快的三維掃描儀，可以輕松移動，而且沒有電線或其他設(shè)備的羈絆。
先掃描物體的某一面，確保已捕獲所有表面，再根據(jù)需要變換物體位置，重復(fù)該過程，直到完成各個角度的捕獲。
如需掃描大型或超大型物體，如房車、挖掘機，甚至是上文提到的空客A380-800客機，那么就該考慮遠(yuǎn)程激光掃描儀。
掃描處理、CAD設(shè)計、增材制造
三維掃描儀完整捕獲物體或場景后，點擊幾下鼠標(biāo)，選擇相應(yīng)工具，即可獲得一個干凈、精準(zhǔn)的多邊形網(wǎng)格，可用于下一道工序。很快，就能將三維掃描數(shù)據(jù)逆向制作為CAD模型了。
由Artec Leo掃描制作而成的Dallara F399/01跑車CAD模型
如果掃描軟件支持掃描到CAD，您可以對3D模型進(jìn)行精準(zhǔn)定位，進(jìn)行CAD基元擬合。這些都是可以兼容CAD的幾何形狀，能匹配3D模型的測量值和幾何。提前對3D模型進(jìn)行基元擬合，CAD設(shè)計時就能差不多跳過這一步。
CAD設(shè)計
掃描處理完成后，可將3D模型導(dǎo)出到逆向工程CAD程序中，如Geomagic Design X或Geomagic for SOLIDWORKS。在這一階段，您將基于3D模型完成CAD模型的繪制。如果已經(jīng)完成了CAD基元擬合，可以直接將文件以CAD對象的形式導(dǎo)出至逆向工程軟件。
在Geomagic Design X軟件中為沃爾沃XC90逆向制作全新尾氣系統(tǒng)
在CAD系統(tǒng)中，您可以分析現(xiàn)有模型，并根據(jù)需求進(jìn)行定制，改動幅度可大可小。比如檢測原物體中是否存在不對稱、畸形或其他不易察覺的反常情況（之前或許還未發(fā)現(xiàn)?。?，然后修改CAD模型來解決這些問題。當(dāng)然也可以新增功能，設(shè)計也能被放大或縮小，也能對形狀和體積進(jìn)行調(diào)整。
要點：
有了CAD軟件，您就可以按照想要的方式對物體3D模型進(jìn)行定制化設(shè)計，還能在虛擬環(huán)境下測試全新設(shè)計，為投產(chǎn)制造做好必要準(zhǔn)備。
如需要，您也可以將CAD模型導(dǎo)入計算流體力學(xué)或有限元分析系統(tǒng)，在各種條件或壓力下測試模型，然后決定對實物設(shè)計或材料進(jìn)行何種改動，以實現(xiàn)好的性能，同時不超過既定公差范圍。
設(shè)計完成后，CAD模型已經(jīng)可以真正問世了，您可以選擇各種制造技術(shù)。這些技術(shù)包括傳統(tǒng)鑄造和成型工藝、數(shù)控銑削和機械加工、增材制造，也就是3D打印或快速成型技術(shù)。
逆向工程的合法問題
毫無疑問，專業(yè)三維掃描儀能簡化復(fù)雜物體的逆向工程，但仍有幾點建議需引起注意。首先，如果逆向制作的產(chǎn)品有商標(biāo)或?qū)＠?，即便使用了不同的?fù)合材料、金屬或增材制造工藝，您也不能復(fù)制并銷售相同的零件或物體。當(dāng)然，操作層面上來說，完全不成問題，但要做好準(zhǔn)備，您會收到制造商律師團(tuán)隊多次來電。
要點：
進(jìn)行逆向工程項目之前，為了自己（和公司）的權(quán)益，建議仔細(xì)分析項目可能帶來的法律后果。
現(xiàn)代知識產(chǎn)權(quán)（IP）法涉及設(shè)計專利、商業(yè)機密、版權(quán)、商標(biāo)等方面。對一個設(shè)計進(jìn)行逆向工程，或借助三維掃描儀進(jìn)行，本身并不違反這些法律。但是，之后對設(shè)計如何處理，則可能觸犯法律。專家一致認(rèn)為，若想遠(yuǎn)離糾紛，那么最好能對原始設(shè)計進(jìn)行修改，而且修改幅度越大越好，特別是在打算將設(shè)計用于商業(yè)目的而非個人用途的情況下。
在實際逆向工程中，我們可以輕松制作出多個原型設(shè)計，然后評估下一步計劃。為安全起見，請確保您修改后的設(shè)計完全不在原始制造商（OEM）的知識產(chǎn)權(quán)范圍內(nèi)，且毫無爭議。優(yōu)秀的三維掃描和CAD解決方案擁有大量不同功能，您完全可以辦到。
Tekk Consulting 使用Artec Eva為Brad DeBerti的《The Performance Truck》節(jié)目制作的數(shù)字渲染
總之，進(jìn)行逆向工程項目之前，為了自己（和公司）的權(quán)益，建議仔細(xì)分析項目可能帶來的法律后果。這樣，您就能巧妙地制定一個計劃，對某個或多個部件、機械設(shè)備進(jìn)行逆向工程，然后高效合法地將CAD數(shù)據(jù)用于項目實施。
結(jié)論
隨著時間的推移，越來越多的公司和組織開始采用三維掃描儀來滿足逆向工程需求。雖然有多款替代工具，但三維掃描已被證明是集準(zhǔn)確、快速、方便和經(jīng)濟(jì)于一身的明智之選。
要逆向制作停產(chǎn)斷貨的小型部件，還要求精度高達(dá)1毫米，或者逆向制作真實大小的汽車、休閑車，甚至是整個飛機庫？總有一款不超預(yù)算的三維掃描儀能幫您快速輕松地完成任務(wù)。
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