2024年3月10日发(作者：)
正向设计与逆向设计的
异同
-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
正向设计
传统以来，工业产品的开发均是循著序列严谨的研发流程，从功能与规格的预
期指标确定开始，构思产品的零组件需求，再由各个元件的设计、制造以及检
验零组件组装、检验整机组装、性能测试等程序来完成。每个元件都保留有原
始的设计图，此设计图目前已广用CAD图档来保存。每个元件的加工也有所谓
的工令图表，对复杂形状元件则以CAM软体产生NC加工档案来保存。每个元
件的尺寸合格与否则以品管检验报告来记录。这些所记录的档案均属公司的智
慧财产，一般通称机密 (Know - how)。这种开发模式称为预定模式(Prescriptive
model)，此类开发工程亦通称为顺向工程(ForWard Engineering)。对每一元件来
说，其顺向工程的流程。
逆向工程，有的人也叫反求工程，英文是reverse engineering。
是指从实物上采集大量的三维坐标点，并由此建立该物体的几何模型，进而开
发出同类产品的先进技术。逆向工程与一般的设计制造过程相反，是先有实物
后有模型。仿形加工就是一种典型的逆向工程应用。目前，逆向工程，逆向工
程的应用已从单纯的技巧性手工操作，发展到采用先进的计算机及测量设备，
进行设计、分析、制造等活动，如获取修模后的模具形状、分析实物模型、基
于现有产品的创新设计、快速仿形制造等。
通俗说，从某种意义上说，逆向工程就是仿造。这里的前提是默认我们传统的
设计制造为“正向工程（当然，没有这种说法）”。
软件的逆向工程是分析程序，力图在比源代码更高抽象层次上建立程序的表示
过程，逆向工程是设计的恢复过程。逆向工程工具可以从已存在的程序中抽取
数据结构、体系结构和程序设计信息。
逆向工程软件简介
Imageware
Imageware 由美国 EDS 公司出品，是最著名的逆向工程软件，正被广泛应
用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。
该软件拥有广大的用户群，国外有 BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、
raytheon、Toyota 等著名国际大公司，国内则有上海大众、上海交大、上海
DELPHI、成都飞机制造公司等大企业。
以前该软件主要被应用于航空航天和汽车工业，因为这两个领域对空气动
力学性能要求很高，在产品开发的开始阶段就要认真考虑空气动力性。常规的
设计流程首先根据工业造型需要设计出结构，制作出油泥模型之后将其送到风
洞实验室去测量空气动力学性能，然后再根据实验结果对模型进行反复修改直
到获得满意结果为止，如此所得到的最终油泥模型才是符合需要的模型。如何
将油泥模型的外形精确地输入计算机成为电子模型，这就需要采用逆向工程软
件。首先利用三坐标测量仪器测出模型表面点阵数据，然后利用逆向工程软件
(例如：Imageware surfacer)进行处理即可获得 class 1 曲面。
随着科学技术的进步和消费水平的不断提高，其它许多行业也开始纷纷采
用逆向工程软件进行产品设计。以微软公司生产的鼠标器为例，就其功能而
言，只需要有三个按键就可以满足使用需要，但是，怎样才能让鼠标器的手感
最好，而且经过长时间使用也不易产生疲劳感却是生产厂商需要认真考虑的问
题。因此微软公司首先根据人体工程学制作了几个模型并交给使用者评估，然
后根据评估意见对模型直接进行修改，直至修改到大家都满意为止，最后再将
模型数据利用逆向工程软件 Imageware 生成 CAD 数据。当产品推向市场后，由
于外观新颖、曲线流畅，再加上手感也很好，符合人体工程学原理，因而迅速
获得用户的广泛认可，产品的市场占有率大幅度上升。
Imageware 逆向工程软件的主要产品有：
Surfacer——逆向工程工具和 class 1 曲面生成工具
Verdict——对测量数据和CAD数据进行对比评估
Build it——提供实时测量能力，验证产品的制造性
RPM——生成快速成型数据
View——功能与 Verdict 相似，主要用于提供三维报告
Imageware 采用 NURB 技术，软件功能强大，易于应用。Imageware 对硬件
要求不高，可运行于各种平台：UNIX 工作站、PC 机均可，操作系统可以是
UNIX、NT、Windows95 及其它平台。
Imageware 由于在逆向工程方面具有技术先进性，产品一经推出就占领了
很大市场分额，软件收益正以 47% 的年速率快速增长。
Surfacer 是 Imageware 的主要产品，主要用来做逆向工程，它处理数据的流
程遵循点——曲线——曲面原则，流程简单清晰，软件易于使用。其流程如
下：
一、点过程
读入点阵数据。
Surfacer 可以接收几乎所有的三坐标测量数据，此外还可以接收其它格
式，例如：STL、VDA 等。
将分离的点阵对齐在一起(如果需要)。
有时候由于零件形状复杂，一次扫描无法获得全部的数据，或是零件较大
无法一次扫描完成，这就需要移动或旋转零件，这样会得到很多单独的点阵。
Surfacer 可以利用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的点信息将点阵准确对
齐。
对点阵进行判断，去除噪音点(即测量误差点)。
由于受到测量工具及测量方式的限制，有时会出现一些噪音点，Surfacer
有很多工具来对点阵进行判断并去掉噪音点，以保证结果的准确性。
通过可视化点阵观察和判断，规划如何创建曲面。
一个零件，是由很多单独的曲面构成，对于每一个曲面，可根据特性判断
用用什么方式来构成。例如，如果曲面可以直接由点的网格生成，就可以考虑
直接采用这一片点阵；如果曲面需要采用多段曲线蒙皮，就可以考虑截取点的
分段。提前作出规划可以避免以后走弯路。
根据需要创建点的网格或点的分段。
Surfacer 能提供很多种生成点的网格和点的分段工具，这些工具使用起来
灵活方便，还可以一次生成多个点的分段。
二、曲线创建过程
判断和决定生成哪种类型的曲线。
曲线可以是精确通过点阵的、也可以是很光顺的(捕捉点阵代表的曲线主要
形状)，或介于两者之间。
创建曲线。
根据需要创建曲线，可以改变控制点的数目来调整曲线。控制点增多则形
状吻合度好，控制点减少则曲线较为光顺。
诊断和修改曲线。
可以通过曲线的曲率来判断曲线的光顺性，可以检查曲线与点阵的吻合
性，还可以改变曲线与其它曲线的连续性(连接、相切、曲率连续)。Surfacer 提
供很多工具来调整和修改曲线。
三、曲面创建过程
决定生成那种曲面。
同曲线一样，可以考虑生成更准确的曲面、更光顺的曲面(例如 class 1 曲
面)，或两者兼顾，可根据产品设计需要来决定。
创建曲面。
创建曲面的方法很多，可以用点阵直接生成曲面(Fit free form)，可以用曲
线通过蒙皮、扫掠、四个边界线等方法生成曲面，也可以结合点阵和曲线的信
息来创建曲面。还可以通过其它例如园角、过桥面等生成曲面。
诊断和修改曲面。
比较曲面与点阵的吻合程度，检查曲面的光顺性及与其它曲面的连续性，
同时可以进行修改，例如可以让曲面与点阵对齐，可以调整曲面的控制点让曲
面更光顺，或对曲面进行重构等处理。
英国 Triumph Motorcycles 有限公司的设计工程师 Chris Chatburn 说：“利
用 Surfacer 我们可以在更短的时间内完成更多的设计循环次数，这样可以让我
们减少 50% 的设计时间。”
最新发布的 Surfacer 软件将以下工作流程的高性能工具完整的集成到一
起：
[弹性的曲面创建工具]：可以在一个弹性的设计环境里非常方便的直接从
曲线、曲面、或测量数据创建曲面，支持贝茨尔(Bezier)和非均匀有理 B 样条
(NURBS)曲面两种方法。用户可以选择适合的曲面方法，通过结合两种方法的优
点来获益。
[动态的曲面修改工具]：允许用户在交互的方式下试探设计主题，立刻就
可以看到是否美观和思路是否符合工程观念。设计、工程分析、制造的标准都
通过精心的构造过程考虑进去，所以当每次修改曲面时不需要再重新校核标
准。
[实时的曲面诊断工具]：可以提供诸如任意截面的连续性、曲面反射线情
况、高亮度线、光谱图、曲率云图和园柱型光源照射下的反光图等多种方法，
在设计的任何时候都可以查出曲面缺陷。
[有效的曲面连续性管理工具]：在复杂的曲面缝补等情况下，即使曲面进
行了移动修改等操作，也能保证曲面同与之相连的曲面间的曲率连续，避免了
乏味的手工再调整过程。
[强大的处理扫描数据能力]：根据 Rainbow 图法(相当于假设雨水从上面落
下，由于形状差异导致雨水流速差异)、曲率大小变化云图法(对于一个完全光顺
的 class 1 曲面，相当于曲率大小变化为零，对于两个不同曲面，此值会不同)将
扫描数据分开，这样可以很快地捕捉产品的主要特征，并迅速建立各个相应曲
面，避免了费事的分析和处理。
正是由于 Imageware 在计算机辅助曲面检查、曲面造型及快速样件等方面
具有其它软件无可匹敌的强大功能，使它当之无愧的成为逆向工程领域的领导
者。
Geomagic Studio
由美国 Raindrop (雨滴)公司出品的逆向工程和三维检测软件 Geomagic
Studio 可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可
自动转换为 NURBS 曲面。该软件也是除了 Imageware 以外应用最为广泛的逆向
工程软件。
Geomagic Studio 主要包括 Qualify、Shape、Wrap、Decimate、Capture 五个
模块。主要功能包括：
自动将点云数据转换为多边形(Polygons)
快速减少多边形数目(Decimate)
把多边形转换为 NURBS 曲面
曲面分析(公差分析等)
输出与 CAD/CAM/CAE 匹配的文件格式(IGS、STL、DXF等)
1.从CAD数模得到的产品模型
2.将CAD模型读入 Geomagic Studio
设计模型与从实际模型扫描所得的点云数据(不同坐标系)
4.扫描数据与CAD模型的自动对合
5.扫描数据与CAD模型的自动对齐
6.误差以彩色图形直观显示
7.用户可标出任意点误差
8. Qualify 的结果可以输出为 HTML 格式
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