逆向工程技術(shù)應(yīng)用研究

1、逆向工程技術(shù)應(yīng)用研究摘要：是由已有產(chǎn)品回溯思路，通過研究現(xiàn)存的系統(tǒng)或產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律，通過復(fù)制、改進(jìn)、創(chuàng)新從而超越現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)的過程。技術(shù)在中的應(yīng)用可以縮短新開發(fā)周期，大大降低設(shè)計(jì)開發(fā)成本，提高設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量，有效地提高企業(yè)的市場競爭力。關(guān)鍵詞：； ；引言隨著市場競爭的加劇，現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期要求越來越短，產(chǎn)品需求出現(xiàn)小批量、多品種、個性化的特點(diǎn)。為了適應(yīng)市場快速多變的情況，達(dá)到縮短開發(fā)周期的目的，產(chǎn)品的開發(fā)很少采用全新設(shè)計(jì)，而借鑒已有產(chǎn)品進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì)則是快捷、實(shí)用的方法。從20世紀(jì)80年代初起，美國M公司、UVP公司以及日本名古屋工業(yè)研究所等開始研究開發(fā)技術(shù)和設(shè)備。目前美國在國內(nèi)已經(jīng)

2、建立了集測量、設(shè)計(jì)、快速成型、數(shù)控加工于一體的中心，在英國、德國、法國、日本、韓國、臺灣等許多國家和地區(qū)已有商品化的設(shè)備和系統(tǒng)軟件相繼投入使用，有效地提高了企業(yè)的競爭力，促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。我國是最大的發(fā)展中國家，消化、吸收國外先進(jìn)產(chǎn)品技術(shù)并進(jìn)行改進(jìn)是重要的手段。技術(shù)為產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了方便、快捷的工具，它借助于先進(jìn)的技術(shù)開發(fā)手段，在已有產(chǎn)品基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新產(chǎn)品，縮短開發(fā)周期，可以使企業(yè)適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)要求，從而使企業(yè)在激烈的市場競爭中處于有利的地位。技術(shù)的應(yīng)用對我國企業(yè)縮短與發(fā)達(dá)國家的差距具有特別重要的意義。1 的理論與方法1.1 （reverse engineering，RE）,亦稱

3、反向工程或反求工程。它是由已有產(chǎn)品或關(guān)鍵設(shè)備精心測繪，認(rèn)真剖析其設(shè)計(jì)制造技術(shù)，從而較早實(shí)施思路，通過樣件開發(fā)產(chǎn)品的過程。與產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)過程相反，基于已有新產(chǎn)品，通過研究現(xiàn)存的系統(tǒng)或產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律，通過復(fù)制、改進(jìn)、創(chuàng)新從而超越現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)的過程。它不是僅對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行簡單的模仿，而是對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行改造、突破和創(chuàng)新。12 制造業(yè)的逆向過程制造業(yè)的是以三維測量、表面重構(gòu)為核心，集光電測量、計(jì)算機(jī)圖像/圖形處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造、快速原型/模具、數(shù)控等技術(shù)為一體的高新技術(shù)。它是在沒有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，利用各種數(shù)字化技術(shù)、CG/CAD技術(shù)，根據(jù)實(shí)物測量數(shù)據(jù)重構(gòu)

4、其計(jì)算機(jī)模型，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法對模型進(jìn)行再設(shè)計(jì)，并與現(xiàn)代快速制造技術(shù)有機(jī)結(jié)合，最終制造出產(chǎn)品的過程。13 正向設(shè)計(jì)與逆向設(shè)計(jì)的區(qū)別正向設(shè)計(jì)指由設(shè)計(jì)思路到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，它是一般產(chǎn)品的常規(guī)設(shè)計(jì)過程。逆向設(shè)計(jì)與正向設(shè)計(jì)相反，是由已有產(chǎn)品回溯思路的過程，它是對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的拓寬和豐富。正向設(shè)計(jì)與逆向設(shè)計(jì)兩者的關(guān)系如圖1所示。設(shè)計(jì)思路快速制造系統(tǒng)三維CAD軟件正向設(shè)計(jì)：產(chǎn)品計(jì)算機(jī)逆向設(shè)計(jì)：已存在實(shí)物三維數(shù)據(jù)測量圖1 正向設(shè)計(jì)與逆向設(shè)計(jì)工程系統(tǒng)圖2 的核心所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：三維實(shí)體幾何形狀數(shù)據(jù)采集、規(guī)則或大量離散數(shù)據(jù)處理、三維實(shí)體模型重建、加工等。三維測量和表面重構(gòu)是技術(shù)的核心。21

5、 測量設(shè)備測量設(shè)備是的核心硬件。按測量方式分類，測量設(shè)備分為接觸和非接觸式兩種。接觸式是傳統(tǒng)的測量方式，測量過程中探頭與模型表面接觸，其典型代表為機(jī)械三坐標(biāo)測量儀（CMM）。這種測量技術(shù)已發(fā)展得比較成熟，其突出優(yōu)點(diǎn)是精度高（可達(dá)0.5m），但由于機(jī)械式測量結(jié)構(gòu)存在的固有缺陷，難以實(shí)現(xiàn)快速測量。(1)三坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)原理：采用觸發(fā)式接觸測量頭，一次采樣只能獲取一個點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。特點(diǎn)：測量精度高，可達(dá)微米級，但效率較低，對一些軟質(zhì)表面無法進(jìn)行測量，價(jià)格較高。三坐標(biāo)測量機(jī)是近幾十年來，隨著計(jì)算機(jī)、機(jī)床業(yè)的飛速發(fā)展而產(chǎn)生的一種高效高精度的測量儀器。它采用坐標(biāo)測量的原理，在計(jì)算機(jī)軟件的控制和驅(qū)動

6、下，完成對工件幾何尺寸和形位公差的三坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集。它有機(jī)地結(jié)合了數(shù)字控制技術(shù)，利用了計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，采用了先進(jìn)的位置傳感技術(shù)和精密機(jī)構(gòu)技術(shù)，使諸如齒輪、凸輪、渦輪渦桿等以前需要專用檢測設(shè)備才能完成工件，現(xiàn)在可用通用的三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，結(jié)合相應(yīng)測量、評價(jià)軟件來實(shí)現(xiàn)專業(yè)的檢測、評價(jià)功能。(2)層析法原理：將零件原型填充后，采用逐層銑削和逐層光掃描相結(jié)合的方法獲取原型不同位置截面的內(nèi)外輪廓數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：能測量任意復(fù)雜零件的內(nèi)外輪廓，測量速度、精度中等，價(jià)格中等，破壞被測件。隨著機(jī)器視覺技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，非接觸式的光電測量技術(shù)發(fā)展迅速，這種測量技術(shù)方法測量速度快，自動化程度高，常見的方法有激

7、光三角測量法、莫爾條紋技術(shù)、斷層掃描技術(shù)等。設(shè)備有三維激光數(shù)字化儀、自動斷層掃描儀、工業(yè)CT和MRI等。圖2 三維立體掃描儀(1)基于光學(xué)三角原理的激光掃描法原理：根據(jù)光學(xué)三角形測量原理，以激光作為光源，其結(jié)構(gòu)模式可以分為點(diǎn)、線，將其透射到被測物體表面，采用CCD接收反射光，根據(jù)光點(diǎn)或光刀成像的偏移，通過被測物體基平面、像點(diǎn)、像距等之間的關(guān)系計(jì)算物體的深度信息。特點(diǎn)：測量速度較快，可達(dá)10000點(diǎn)/s以上，精度中等，價(jià)格低。傾斜度大的面、棱邊處測量誤差大，反光特性不合適的材料表面需噴涂。(2)基于相位偏移測量原理的莫爾條紋法原理：將光柵條紋透射到被測物體表面，光柵條紋受物體表面形狀的調(diào)制，其條

8、紋間的相位關(guān)系會發(fā)生變化，數(shù)字圖像處理的方法解析出光柵條紋圖像的相位變化量來獲取被測物體表面的三維信息。特點(diǎn)：基于投影面獲取數(shù)據(jù)，比基于點(diǎn)、線獲取數(shù)據(jù)的速度快，一般測量精度達(dá)幾十微米，要小于10m，光柵制作有難度。(3)基于工業(yè)CT斷層掃描圖像法原理：對被測物體進(jìn)行斷層截面掃描，以X射線的衰減系數(shù)為依據(jù)，經(jīng)處理重建斷層截面圖像，根據(jù)不同位置的斷層圖像可建立物體的三維信息。特點(diǎn)：類似于醫(yī)學(xué)CT，可以測量物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形狀，屬無損測量，但造價(jià)高，目前實(shí)用設(shè)備的精度約為0.1mm。各種測量方法精度、成本、適用條件各不相同，現(xiàn)將各種測量設(shè)備作比較分析如表1所示。表1 各種測量設(shè)備的比較機(jī)械三坐標(biāo)測量

9、儀接觸式外表面形狀精度高軟體難以測量手動成本低，自動化成本高層析數(shù)字化測量機(jī)破壞式內(nèi)外表面精度高材料不限成本中等三維激光數(shù)字化儀非接觸式外表面形狀精度高材料不限成本中等MRI/CT非接觸式內(nèi)外表面精度低材料有限制成本高2.2 表面重構(gòu)經(jīng)過測量，物體表面形狀離散為數(shù)據(jù)點(diǎn)集，有關(guān)線、面的特征全部消失，由離散數(shù)據(jù)點(diǎn)重構(gòu)物體的CAD模型需經(jīng)過離散點(diǎn)網(wǎng)格化、特征提取、表面分片、曲面生成等步驟。網(wǎng)格化是為了建立離散點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系，但由離散點(diǎn)拼合物體表面網(wǎng)格時(shí)存在多義性，要設(shè)計(jì)全自動的算法存在難度，有設(shè)計(jì)人員根據(jù)被測實(shí)物進(jìn)行交互拼接是目前比較實(shí)用的方法。有了物體表面的網(wǎng)格模型，根據(jù)應(yīng)用需要，選用合適的曲面

10、生成算法構(gòu)建物體的曲面模型，并通過數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入ProE、UG等常用的CAD軟件進(jìn)行后續(xù)的處理。的數(shù)據(jù)處理過程包括：分析現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)，對其原理進(jìn)行抽取，結(jié)合新技術(shù)、改進(jìn)并超越現(xiàn)有產(chǎn)品（第三步實(shí)際是正向工程）。 (1) 分析分析現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)，找出其工作原理的關(guān)鍵數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段有手工分析、自動分析和智能分析三種分析方式。 (2) 抽取按一定規(guī)則從數(shù)據(jù)中識別出產(chǎn)品原型中的各元素和各特性，抽取也是一個數(shù)據(jù)過濾和加密的過程。 (3) 產(chǎn)品重建重建按重建的方式分線架重建、面片重建和整體重建。 線架重建是按人們從線到面的思維方式進(jìn)行的，發(fā)展早期重建軟件基本都采用線架重建模式。當(dāng)前流行的線架重構(gòu)軟件主要有UG

11、、ProE、Catia、Surfacer、CopyCAD等，其中Surfacer和CopyCAD在線架抽取方面非常有特色。面片重建是直接從樣件數(shù)據(jù)中抽取面片，上述軟件都能完成這樣的任務(wù)，但效果并非理想，其主要原因是分塊和拼接不是很方便和有效。ProE新出的ICEM軟件在面片重建方面很有特色，它可輔助用戶完成分塊和自動拼接。整體重建實(shí)際上是智能化的重建過程，既包括線架重建和面片重建，又包括產(chǎn)品的實(shí)體構(gòu)造，主要由軟件自動化地完成，其更注重產(chǎn)品整體。 (4) 數(shù)字產(chǎn)品所產(chǎn)生的數(shù)字產(chǎn)品，是真實(shí)產(chǎn)品的數(shù)字化，同時(shí)可在模擬的環(huán)境中模擬的工作狀態(tài)，排除和改進(jìn)當(dāng)前產(chǎn)品原型的不足，從而超越樣品。 (5) 加工加

12、工是將數(shù)字產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為真實(shí)產(chǎn)品的過程，加工的規(guī)劃和數(shù)據(jù)采集有很多相似的地方，的加工更注重加工工藝的自動化和加工的自動化完成。3 的應(yīng)用3.1 應(yīng)用對象與范圍方法和思想在中早有應(yīng)用，但由于三維形狀數(shù)字化涉及到相關(guān)技術(shù)難度較大，直到20世紀(jì)90年代快速測量、三維打印、快速成型等技術(shù)和設(shè)備日漸成熟，作為三維形狀數(shù)字化產(chǎn)業(yè)的一部分才初步形成，近年來，隨著數(shù)字化相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)代中的作用越來越大。總體上看，可以分為如下3個應(yīng)用層次：(1)原形復(fù)制（copy）復(fù)制是應(yīng)用的原始境界。例如：陶瓷、玻璃器皿、雕塑等手工制作原型，通過測量，可在計(jì)算機(jī)中建立CAD模型，進(jìn)行批量生產(chǎn)；文物、工藝品、珠寶的復(fù)制和修復(fù)

13、；構(gòu)建地貌模型，用于建筑、水利、交通、軍事，礦藏勘探；古代生物恢復(fù)等。(2)再設(shè)計(jì)（redesign）基于現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行再設(shè)計(jì)是目前在中的主要應(yīng)用。例如：用測量數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理軟件檢測模具或產(chǎn)品原型；修復(fù)損壞部件，基于外部產(chǎn)品進(jìn)行仿制或改型設(shè)計(jì)；基于以往產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)等。 (3)仿真（simulation）脫離形狀的仿真研究是的高級境界，例如：將魚和鳥表達(dá)于計(jì)算機(jī)，通過研究魚和鳥的運(yùn)動規(guī)律，可以為船舶和飛機(jī)的設(shè)計(jì)提供幫助等。表面重構(gòu)測量得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)云 葉輪葉片數(shù)據(jù)點(diǎn)云3.2 逆向產(chǎn)品開發(fā)過程及應(yīng)用實(shí)例逆向產(chǎn)品開發(fā)過程主要包括：(1)測量；(2)表面重構(gòu)；(3)再設(shè)計(jì)；產(chǎn)品快速原型采用UG進(jìn)行再設(shè)計(jì)(4)產(chǎn)品原型/模具制作等。 圖2 逆向產(chǎn)品開發(fā)實(shí)例離心式壓縮機(jī)葉輪葉片逆向開發(fā)實(shí)例：如圖2所示，葉輪葉片的數(shù)據(jù)采用激光線掃描儀測量獲得。數(shù)據(jù)點(diǎn)經(jīng)重構(gòu)表面，通過標(biāo)準(zhǔn)CAD數(shù)據(jù)接口將測量的數(shù)據(jù)點(diǎn)云和重構(gòu)表面輸入到UG中，在UG中完成規(guī)則形體、倒角、分型面的構(gòu)造，最后生成葉輪葉片的實(shí)體CAD模型。 4 結(jié)束語是產(chǎn)品研發(fā)高效、便捷的途徑。將應(yīng)用于現(xiàn)代，能夠縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，大大降低產(chǎn)品開發(fā)成本；將與已有的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（CAPP）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）等技