第九章逆向工程、仿生機械與反求設(shè)計

1、第第九九章章 逆向工程、仿生機械與反求設(shè)計逆向工程、仿生機械與反求設(shè)計9.1 逆向工程簡介9.2 機械仿生原理與仿生機械實例9.3 機械反求設(shè)計9.9.1 1 逆向工程簡介逆向工程簡介一一、逆向工程的基本概念、逆向工程的基本概念正向工程是由未知到已知、由想象到現(xiàn)實的過程。正向工程是由未知到已知、由想象到現(xiàn)實的過程。 作為研究對象，產(chǎn)品實物是面向消費市場的設(shè)計成果，也是最容易獲取的研究對象。同時，在產(chǎn)品開發(fā)和制造的過程中，最初的產(chǎn)品設(shè)計并不是由計算機輔助設(shè)計模型描述的，設(shè)計和制造者面對的是實物樣件。 目前，這種從實物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)字模型并制造得到新產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)，即逆向工程技術(shù)，已成為cad/c

2、am系統(tǒng)中的一個研究及應(yīng)用的熱點。 逆向工程（逆向工程（reverse engineering)reverse engineering)也稱反求工程、反向工程，是一種以先進技術(shù)或產(chǎn)品的實物、樣件、軟件（圖樣、程序、技術(shù)文件等）或影像（照片、廣告）作為研究對象，應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、材料學(xué)、計算機輔助技術(shù)的理論和方法進行系統(tǒng)分析和研究、探索掌握其關(guān)鍵技術(shù)，進而開發(fā)同類的或更先進的產(chǎn)品技術(shù)，是針對消化、吸收先進技術(shù)采取的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的綜合。 正設(shè)計是主動的創(chuàng)造，而逆向工程是先被動后主動的創(chuàng)造，并非是正向工程的簡單逆過程。 正向工程的關(guān)鍵是要解答： 逆向工程的關(guān)鍵是要解答： 怎

3、么做？怎么做？ 為什么要這么做？為什么要這么做？二、逆向工程的研究內(nèi)容二、逆向工程的研究內(nèi)容 逆向工程包含對產(chǎn)品的研究與發(fā)展、生產(chǎn)制造過程、管理和市場組成的完整系統(tǒng)的分析和研究。主要包括以下幾個方面。 1. 1. 探索原產(chǎn)品設(shè)計的指導(dǎo)思想探索原產(chǎn)品設(shè)計的指導(dǎo)思想 掌握原產(chǎn)品設(shè)計的指導(dǎo)思想是分析整個產(chǎn)品設(shè)計的前提。 2. 2. 探索原產(chǎn)品原理方案的設(shè)計探索原產(chǎn)品原理方案的設(shè)計 產(chǎn)品的功能目標是產(chǎn)品設(shè)計的核心問題，不同的功能目標，可引出不同的原理方案。 掌握原產(chǎn)品原理方案的設(shè)計，可了解功能目標的確定原則，利用產(chǎn)品的改進設(shè)計。 3. 3. 研究產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計 零部件的具體結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)

4、產(chǎn)品功能目標的保證。 4. 4. 確定產(chǎn)品的零部件形體尺寸確定產(chǎn)品的零部件形體尺寸 由外至內(nèi)、由部件至零件分解產(chǎn)品實物。它是反求設(shè)計中工作量很大的一部分工作。 5. 5. 確定產(chǎn)品中零件的精度確定產(chǎn)品中零件的精度 確定零件的精度（即公差設(shè)計）是反求設(shè)計中的難點之一。精度是衡量反求對象性能的重要指標，科學(xué)合理地進行精度分配，對提高產(chǎn)品的裝配精度和力學(xué)性能至關(guān)重要。 6. 6. 確定產(chǎn)品中零件的材料確定產(chǎn)品中零件的材料 在對原產(chǎn)品材料進行全面鑒定的基礎(chǔ)上，立足實際，選擇合用的材料。 7. 7. 確定產(chǎn)品的工作性能確定產(chǎn)品的工作性能 對性能進行試驗測定和分析，提出改進措施。 8. 8. 確定產(chǎn)品的造

5、型確定產(chǎn)品的造型 對產(chǎn)品的外形構(gòu)型、色彩設(shè)計進行分析，以提高產(chǎn)品的外觀質(zhì)量和舒適程度。 9. 9. 確定產(chǎn)品的維護與管理確定產(chǎn)品的維護與管理 分析產(chǎn)品的維護和管理方式，了解重要零部件及易損零部件，有助于維修及設(shè)計的改進和創(chuàng)新。三、逆向工程的設(shè)計程序三、逆向工程的設(shè)計程序 1. 1. 反求分析反求分析 通過對原有產(chǎn)品的剖析，尋找原產(chǎn)品的技術(shù)缺陷，吸取其技術(shù)精華、關(guān)鍵技術(shù)，為改進或創(chuàng)新設(shè)計提出方向。包括宏觀分析和詳細分析。 2. 2. 反求設(shè)計反求設(shè)計 是一個創(chuàng)新設(shè)計階段，包括變異設(shè)計和開發(fā)設(shè)計。在對原產(chǎn)品進行反求分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)出符合市場需求的新產(chǎn)品的過程，稱為“再設(shè)計”。四、逆向工程的應(yīng)用領(lǐng)

6、域四、逆向工程的應(yīng)用領(lǐng)域 據(jù)統(tǒng)計，我國70%以上的技術(shù)源于國外，反求工程作為掌握技術(shù)的一種手段，可使產(chǎn)品研制周期縮短40%以上，其應(yīng)用領(lǐng)域大致可分為： 1. 1. 復(fù)制零件原型復(fù)制零件原型 2. 2. 建造實驗?zāi)Ｐ徒ㄔ鞂嶒災(zāi)Ｐ?用來設(shè)計需要通過實驗測試才能定型的工作模型，以此作為設(shè)計此類零件及反求其模具的依據(jù)。 3. 3. 評估美學(xué)效果評估美學(xué)效果 在美學(xué)設(shè)計重要的領(lǐng)域，采用真實比例的木制或油泥模型來評估設(shè)計的美學(xué)效果。 4. 4. 修復(fù)破塤藝術(shù)品修復(fù)破塤藝術(shù)品 修復(fù)破塤的藝術(shù)品或缺乏供應(yīng)的損壞零件。不需要對整個零件原型進行復(fù)制，借助逆向工程技術(shù)抽取零件原型的設(shè)計思想，指導(dǎo)新的設(shè)計。五、逆向工

7、程的關(guān)鍵技術(shù)五、逆向工程的關(guān)鍵技術(shù) 1. 1. 實物原型的數(shù)字化技術(shù)實物原型的數(shù)字化技術(shù) 通過特定的測量設(shè)備和測量方法，獲取零件表面離散點的幾何坐標數(shù)據(jù)的過程。 2. 2. 數(shù)據(jù)點云的預(yù)處理技術(shù)數(shù)據(jù)點云的預(yù)處理技術(shù) 主要包括半徑補償、數(shù)據(jù)插補、數(shù)據(jù)平滑、點云數(shù)據(jù)精簡、不同坐標點云的歸一化等。 3. 3. 三維重構(gòu)技術(shù)三維重構(gòu)技術(shù) 復(fù)雜曲面的cad重構(gòu)是逆向工程研究的重點。對復(fù)雜曲面產(chǎn)品來說，其實體模型可由曲面模型經(jīng)過一定的計算演變而來，因此曲面重構(gòu)是復(fù)雜產(chǎn)品逆向工程的關(guān)鍵。 4. 4. 曲線曲線/ /曲面光順技術(shù)曲面光順技術(shù) 光順操作在產(chǎn)品外形設(shè)計中尤為重要。常用的光順方法有最小二乘法、能量法

8、、回彈法、基于小波的光順技術(shù)等，而光順效果就取決于所使用方法的原理準則。 5. 5. 逆向工程的誤差分析和品質(zhì)分析逆向工程的誤差分析和品質(zhì)分析 現(xiàn)階段逆向工程所構(gòu)造的cad模型，多為幾何形狀重構(gòu)，談不上滿足一定要求的“精度設(shè)計”和“精度制造”，這極大地限制了逆向工程的應(yīng)用范圍。 重構(gòu)參數(shù)重構(gòu)參數(shù) 依據(jù)測量點數(shù)據(jù)經(jīng)擬合運算得到的參數(shù)，體現(xiàn)在重構(gòu)的cad模型上。 實物原型參數(shù)實物原型參數(shù) 零件或原型本身具有的固定形狀參數(shù)。 原始設(shè)計參數(shù)原始設(shè)計參數(shù) 體現(xiàn)在制造零件或原型的設(shè)計圖紙上的參數(shù)。已知的已知的未知的未知的未知的未知的2222損制測計構(gòu) 重構(gòu)參數(shù)與原始設(shè)計參數(shù)之間存在誤差，設(shè)為重構(gòu)誤差構(gòu)。在

9、重構(gòu)過程中，不可避免地會產(chǎn)生計算誤差計；在對零件或原型進行測量時，會產(chǎn)生測量誤差測；零件或原型自身也存在制造誤差制和磨損誤差損。 重構(gòu)誤差由這四種誤差組成，一般取各項誤差的均方根作為重構(gòu)誤差，則有： 反求工程制造的產(chǎn)品，是被置于原型的工作環(huán)境下，代替原型工作的。 原型是用原始設(shè)計參數(shù)制造的，產(chǎn)品是用重構(gòu)參數(shù)制造的，由于重構(gòu)誤差的存在，會出現(xiàn)廢品。因此提高逆向精度提高逆向精度仍然是一個待完善的課題。 品質(zhì)分析品質(zhì)分析主要是分析曲面的光順度，屬于非量化評價。六、逆向工程與知識產(chǎn)權(quán)六、逆向工程與知識產(chǎn)權(quán) 保護知識產(chǎn)權(quán)是國際性的共同行為規(guī)范，任何一項新技術(shù)、新產(chǎn)品都應(yīng)該受到有關(guān)保護法的法律保護。 反求

10、技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)是仿制技術(shù)，但并不同于仿制技術(shù)。其著眼點在于對原有事物進行修改再設(shè)計后而制造出新的產(chǎn)品，因而避免了侵權(quán)的問題。 從事反求設(shè)計時，一定要懂得知識產(chǎn)權(quán)，不要侵害別人的專利權(quán)、著作權(quán)、商標權(quán)等受保護的知識產(chǎn)權(quán)。同時也要注意保護自己所創(chuàng)新部分的知識產(chǎn)權(quán)。9.2 9.2 機械仿生原理與仿生機械實例機械仿生原理與仿生機械實例 “鷹擊長空，魚翔淺底”，自然界形形色色的生物，都有著怎樣的奇異本領(lǐng)？它們的奇異本領(lǐng)給了人們哪些啟示？ 模仿這些本領(lǐng)，人類又可以創(chuàng)造出什么樣的奇跡呢？仿生學(xué)仿生學(xué)一一、仿生學(xué)簡介、仿生學(xué)簡介 基于模仿生物而興起的仿生學(xué)是人類發(fā)明創(chuàng)造靈感的不竭源泉。人類文明進程的許多重大發(fā)

11、明都源于仿生思維。人類文明進程的許多重大發(fā)明都源于仿生思維。 仿生學(xué)（仿生學(xué)（bionicsbionics）是研究自然或生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術(shù)提供新的設(shè)計思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)。 仿生的過程是向自然學(xué)習(xí)的過程，通過汲取自然界優(yōu)化的精華為科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐服務(wù)。它絕不是簡單的模仿，而是通過將仿生技術(shù)與工程應(yīng)用實際相結(jié)合而實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新。烏龜?shù)凝敋づc薄殼建筑烏龜?shù)凝敋づc薄殼建筑 龜殼的背甲呈拱形，跨度大，包括許多力學(xué)原理。雖然它只有2 mm的厚度，但使用鐵錘敲砸也很難破壞它。建筑學(xué)家模仿它進行了薄殼建筑設(shè)計。這類建筑有許多優(yōu)點：用料少，跨度大，堅

12、固耐用。薄殼建筑也并非都是拱形，舉世聞名的悉尼歌劇院則像一組泊港的群帆。 蜘蛛與裝甲蜘蛛與裝甲 生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)蜘蛛絲的強度相當(dāng)于同等體積的鋼絲的5倍。受此啟發(fā)，英國劍橋一所技術(shù)公司試制成猶如蜘蛛絲一樣的高強度纖維。用這種纖維做成的復(fù)合材料可以用來做防彈衣、防彈車、坦克裝甲車等結(jié)構(gòu)材料。 鯨魚與潛艇鯨魚與潛艇 當(dāng)代核潛艇能長時間潛航于冰海之下，但若在冰下發(fā)射導(dǎo)彈，則必須破冰上浮，這就碰到了力學(xué)上的難題。潛舴專家從鯨魚每隔10分鐘必須破冰呼吸一次中得到啟迪，在潛艇頂部突起的指揮臺圍殼和上層建筑方面，作了加強材料力度和外形仿鯨背處理，果然取得了破冰時的“鯨背效應(yīng)”。蝴蝶與人造衛(wèi)星蝴蝶與人造衛(wèi)星 遨游太

13、空的人造衛(wèi)星，當(dāng)受到陽光強烈輻射時，衛(wèi)星溫度會高達200c；而在陰影區(qū)域，衛(wèi)星溫度會下降至零下200c左右，這很容易烤壞或凍壞衛(wèi)星上的精密儀器儀表，它一度曾使航天科學(xué)家傷透了腦筋。后來，人們從蝴蝶身上受到啟迪。原來，蝴蝶身體表面生長著一層細小的鱗片，這些鱗片有調(diào)節(jié)體溫的作用。每當(dāng)氣溫上升、陽光直射時，鱗片自動張開，以減少陽光的輻射角度，從而減少對陽光熱能的吸收；當(dāng)外界氣溫下降時，鱗片自動閉合，緊貼體表，讓陽光直射鱗片，從而把體溫控制在正常范圍之內(nèi)?？茖W(xué)家經(jīng)過研究，為人造地球衛(wèi)星設(shè)計了一種猶如蝴蝶鱗片般的控溫系統(tǒng)。 二、仿生設(shè)計學(xué)二、仿生設(shè)計學(xué) 它是在仿生學(xué)和設(shè)計學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興邊緣

14、學(xué)科，是仿生學(xué)的延續(xù)和發(fā)展，是仿生學(xué)研究成果在人類生存方式中的反映。 1. 1. 仿生設(shè)計學(xué)的研究內(nèi)容仿生設(shè)計學(xué)的研究內(nèi)容形態(tài)仿生設(shè)計學(xué)形態(tài)仿生設(shè)計學(xué)功能仿生設(shè)計學(xué)功能仿生設(shè)計學(xué)視覺仿生設(shè)計學(xué)視覺仿生設(shè)計學(xué)結(jié)構(gòu)方式設(shè)計學(xué)結(jié)構(gòu)方式設(shè)計學(xué) 2. 2. 仿生設(shè)計學(xué)的特點仿生設(shè)計學(xué)的特點 藝術(shù)性和科學(xué)性 商業(yè)性 為設(shè)計服務(wù)、為消費者服務(wù)。 無限可逆性 研究對象（原型）是無限的。 學(xué)科知識的綜合性 學(xué)科的交叉性 是一種新型交叉學(xué)科。 3. 3. 仿生設(shè)計學(xué)的研究方法仿生設(shè)計學(xué)的研究方法模型分析法模型分析法 1）創(chuàng)造生物模型和技術(shù)模型 從功能出發(fā)，研究生物體結(jié)構(gòu)形態(tài)，在感性認識的基礎(chǔ)上，提出一個生物模型，

15、用模型模擬生物結(jié)構(gòu)原理研究生物體本身的結(jié)構(gòu)原理。研究生物體本身的結(jié)構(gòu)原理。 通過對模型的分析，做出定量的數(shù)學(xué)模型，用各種技術(shù)手段制造出可以在產(chǎn)品上進行實驗的技術(shù)模型研究和發(fā)展技術(shù)模型。研究和發(fā)展技術(shù)模型。 2）可行性分析與研究 功能性分析； 外部形態(tài)分析； 色彩分析； 結(jié)構(gòu)分析； 運動規(guī)律分析。三、仿生機械三、仿生機械 仿生機械是模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和控制原理，設(shè)計、制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。 1. 1. 仿生機械簡史仿生機械簡史 15世紀意大利的達芬奇認為人類可以模仿鳥類飛行，并繪制了撲翼機圖。只限于形體模仿只限于形體模仿 隨著近代生物學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)生物在能量轉(zhuǎn)換

16、、控制調(diào)節(jié)、信息處理、辨別方位、導(dǎo)航和探測等方面有著以往技術(shù)所不可比擬的長處，因此在自然科學(xué)中又出現(xiàn)了控制論，控制論，它奠定了機器與生物可以類比的理論基礎(chǔ)。 1960年，在美國召開了第一屆仿生學(xué)討論會，提出了“生物原型是新技術(shù)的關(guān)鍵”的論題，從而確定了仿生學(xué)學(xué)科；1970年日本手工研究會主辦召開了第一屆生物機構(gòu)討論會，從而確立了生物力學(xué)和生物機構(gòu)學(xué)兩個學(xué)科，在這個基礎(chǔ)上形成了仿生機械學(xué)。 2. 2. 仿生機械與機器人技術(shù)仿生機械與機器人技術(shù) 仿生機器人是仿生機械學(xué)中的一個最為典型的應(yīng)用實例。 從工程的角度看，從工程的角度看，它屬于一種自動機械，具有對環(huán)境的通用性和實用性，可以實現(xiàn)獨立的、隨意的

17、運行。從仿生學(xué)的角度看，從仿生學(xué)的角度看，認為它是具有近似人類相當(dāng)部分功能的機械，能執(zhí)行與人類似的動作。 日本和美國在仿生機器人的研究領(lǐng)域起步早、發(fā)展快，取得了較好地成果。 我國對仿生機器人的研究始于20世紀90年代，也取得了一定的成果。9.3 9.3 機械反求設(shè)計機械反求設(shè)計 反求設(shè)計的研究對象一般分為以下三類：反求設(shè)計的研究對象一般分為以下三類： 實物類實物類先進產(chǎn)品設(shè)備的實物本身； 軟件類軟件類先進產(chǎn)品設(shè)備的圖樣、程序和技術(shù)文件等； 影像類影像類先進產(chǎn)品設(shè)備的圖片、照片和影像資料等；一、實物反求設(shè)計一、實物反求設(shè)計 在已有產(chǎn)品實物的條件下，對產(chǎn)品的功能原理、設(shè)計參數(shù)、尺寸、材料、結(jié)構(gòu)、裝配工藝、包裝使用等進行分析研究，研制開發(fā)出與原型產(chǎn)品相同或相似的新產(chǎn)品。這是一個從認識產(chǎn)品到再現(xiàn)產(chǎn)品或創(chuàng)造性開發(fā)產(chǎn)品的過程。1. 1. 實物反求設(shè)計的一般過程實物反求設(shè)計的一般過程2. 2. 實物反求設(shè)計的特點實物反求設(shè)計的特點 1）具有直觀、形象的實物，有利于形象思維。 2）可對產(chǎn)品的功能、性能、材料等直接進行試驗及分析，以獲得詳細的設(shè)計參數(shù)。 3）可對產(chǎn)品的尺寸直接進行測繪，以獲得重要的尺寸參數(shù)。 4）可縮短設(shè)計周期，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)起點與速度。 5）引進的產(chǎn)品就是新產(chǎn)品的檢驗標準，有利于調(diào)高新產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量。二、軟件反