逆向工程技术及应用研究

逆向工程技术及应用研究 摘要：逆向工程是由已有产品回溯产品设计思路，通过研究现存的系统或产品，发现其规律，通过复制、改进、创新从而超越现有产品或系统的过程。逆向工程技术在产品设计中的应用可以缩短新产品设计开发周期，大大降低设计开发成本，提高设计水平和质量，有效地提高企业的市场竞争力。 关键词：逆向工程；三维测量；曲面重构；产品设计；创新一逆向工程技术定义逆向工程技术与传统的产品正向设计方法不同。它是根据已存在的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型，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。通过样件开发产品的过程。与产品正向设计过程相反，逆向工程基于已有产品设计新产品，通过研究现存的系统或产品，发现其规律，通过复制、改进、创新从而超越现有产品或系统的过程。它不是仅对现有产品进行简单的模仿，而是对现有产品进行改造、突破和创新。二 逆向工程分类从广义讲，逆向工程可分以下三类。(1)实物逆向：顾名思义，它是在已有实物条件下，通过试验、测绘和分折。提出再创造的关键；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质、精度、使用规范等多方面的逆向。实物逆向对象可以是整机、部件、组件和零件。(2)软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件逆向中有三类情况：1)既有实物，又有全套技术软件；2)有实物而无技术软件；3)无实物，仅有全套或部分技术软件。三 逆向工程测量系统根据测量探头是否和零件表面接触其测量方式可分两类。(1)接触式测量：根据测头的不同。可分为触发式和连续式。应用最为广泛的三座标测量机是20世纪6o年代发展起来的新型高效精密测量仪器，是有很强柔性的大型测量设备。(2)非接触式测量：根据原理的不同，可分为三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法、CT测量法、MRI测量法、超声波法和层析法等。四 逆向工程技术流程(1)逆向工程是以一个物理零件或模型作为开始，进而决定下游工程。(2)点处理过程：主要包括多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。(3)曲线处理过程：决定所要创建的曲线类型。曲线可以设计得与点的片段相同，或让曲线更光滑些；由已存在的点创建出曲面；检查修改曲线，检查曲线与点或其它曲线的精确度、平滑度与连续的相关性。(4)曲面处理过程：决定所要创建的曲面类型，可以选择创建的曲面以精确为主或以光滑为主，或两者居中；由点云或曲线创建曲面；检查修改曲面，检查曲丽与点或其它曲面或特征的精确度、平滑度与连续的相关性。(5)误差分析：应该考虑被测物对机构引起的综合轨迹误差、逆向工程设计所依据的数据值存在的测量误差、设计中的被测物存在的加工误差、设计中的曲线拟合存在的拟合误差等方面。五制造业的逆向过程 制造业的逆向工程是以三维测量、表面重构为核心，集光电测量、计算机图像/图形处理、计算机辅助设计/制造、快速原型/模具、数控等技术为一体的高新技术。它是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，利用各种数字化技术、CG/CAD技术，根据实物测量数据重构其计算机模型，运用现代设计理论、方法对模型进行再设计，并与现代快速制造技术有机结合，最终制造出产品的过程正向设计与逆向设计的区别 ：正向设计指由设计思路到产品的设计过程，它是一般产品的常规设计过程。 逆向设计与正向设计相反，是由已有产品回溯产品设计思路的过程，它是对传统设计、制造技术的拓宽和丰富。六 逆向工程的核心 逆向工程所涉及的关键技术主要包括：三维实体几何形状数据采集、规则或大量离散数据处理、三维实体模型重建、加工等。三维测量和表面重构是逆向工程技术的核心。 1. 测量设备 测量设备是逆向工程的核心硬件。按测量方式分类，测量设备分为接触和非接触式两种。 2. 接触式测量设备 接触式是传统的测量方式，测量过程中探头与模型表面接触，其典型代表为机械三坐标测量仪（CMM）。这种测量技术已发展得比较成熟，其突出优点是精度高（可达±0.5µm），但由于机械式测量结构存在的固有缺陷，难以实现快速测量。 (1)三坐标测量机(CMM) 原理：采用触发式接触测量头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值。 特点：测量精度高，可达微米级，但效率较低，对一些软质表面无法进行测量，价格较高。 三坐标测量机是近几十年来，随着计算机、机床业的飞速发展而产生的一种高效高精度的测量仪器。它采用坐标测量的原理，在计算机软件的控制和驱动下，完成对工件几何尺寸和形位公差的三坐标数据采集。它有机地结合了数字控制技术，利用了计算机软件技术，采用了先进的位置传感技术和精密机构技术，使诸如齿轮、凸轮、涡轮涡杆等以前需要专用检测设备才能完成工件，现在可用通用的三坐标测量机进行数据采集，结合相应测量、评价软件来实现专业的检测、评价功能。 (2)层析法 原理：将零件原型填充后，采用逐层铣削和逐层光扫描相结合的方法获取原型不同位置截面的内外轮廓数据。 特点：能测量任意复杂零件的内外轮廓，测量速度、精度中等，价格中等，破坏被测件。 (2)非接触式测量设备 随着机器视觉技术和光电技术的发展，非接触式的光电测量技术发展迅速，这种测量技术方法测量速度快，自动化程度高，常见的方法有激光三角测量法、莫尔条纹技术、断层扫描技术等。设备有三维激光数字化仪、自动断层扫描仪、工业CT和MRI等。 3. 各种测量方法的比较 各种测量方法精度、成本、适用条件各不相同。 机械三坐标测量仪 接触式 外表面形状 精度高 软体难以测量 手动成本低，自动化成本高 层析数字化测量机 破坏式 内外表面 精度高 材料不限 成本中等 三维激光数字化仪 非接触式 外表面形状 精度高 材料不限 成本中等 MRI/CT 非接触式 内外表面 精度低 材料有限制 成本高4.表面重构 经过测量，物体表面形状离散为数据点集，有关线、面的特征全部消失，由离散数据点重构物体的CAD模型需经过离散点网格化、特征提取、表面分片、曲面生成等步骤。网格化是为了建立离散点之间的拓扑关系，但由离散点拼合物体表面网格时存在多义性，要设计全自动的算法存在难度，有设计人员根据被测实物进行交互拼接是目前比较实用的方法。有了物体表面的网格模型，根据应用需要，选用合适的曲面生成算法构建物体的曲面模型，并通过数据接口导入CATIA、UG等常用的CAD软件进行后续的处理。 逆向工程的数据处理过程包括：分析现有产品或系统，对其原理进行抽取，结合新技术、改进并超越现有产品（第三步实际是正向工程）。 (1) 分析 分析现有产品或系统，找出其工作原理的关键数据。现阶段有手工分析、自动分析和智能分析三种分析方式。 (2) 抽取 按一定规则从数据中识别出产品原型中的各元素和各特性，抽取也是一个数据过滤和加密的过程。 (3) 产品重建 重建按重建的方式分线架重建、面片重建和整体重建。 线架重建是按人们从线到面的思维方式进行的，CAD/CAM发展早期重建软件基本都采用线架重建模式。当前流行的线架重构软件主要有UG、ProE、Catia、Surfacer、CopyCAD等。 整体重建实际上是智能化的重建过程，既包括线架重建和面片重建，又包括产品的实体构造，主要由软件自动化地完成，其更注重产品整体。 (4) 数字产品 逆向工程所产生的数字产品，是真实产品的数字化，同时可在模拟的环境中模拟的工作状态，排除和改进当前产品原型的不足，从而超越样品。 (5) 加工 加工是将数字产品转化为真实产品的过程，加工的规划和数据采集有很多相似的地方，逆向工程的加工更注重加工工艺的自动化和加工的自动化完成。5. 逆向工程的关键技术逆向工程可以抽象地划分为三个环节：零件原型的三维模型重构；基于原型的再设计；产品制造。上述三个环节中零件原型三维模型重构是实施逆向工程的基础，也是目前研究的重点、难点。在通常情况下，提到逆向工程就指零件原型的三维模型重构。零件原型的三维模型重构可分为数据采集和三维模型重构两个部分。七逆向工程技术的应用领域逆向工程已成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，并成为消化、吸收先进技术。实现新产品快速开发的重要技术手段。其主要应用领域如下：(1)对产品外形美学有特别要求的领域，由于设计师习惯于依赖3D实物模型对产品设计进行评估，因此产品几何外形通常不是应用CAD软件直接设计的，而是首先制作全尺寸的木质或粘土模型或比例模型，然后利用逆向工程技术重建产品数字化模型。(2)当设计需经实验才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。例如航天航空、汽车等领域，为了满足产品对空气动力学等的要求，需进行风洞等实验建立符合要求的产品模型。此类产品通常是由复杂的自由曲面拼接而成的最终借助逆向工程，转换为产品的三维CAD模型及其模具。(3)在模具行业，常需通过反复修改原始设计的模具型面。这将实物通过数据测量与处理产生与实际相符的产品数字化模型，对模型修改后再进行加工，将显著提高生产效率。因此逆向工程在改型设计方面可发挥正向设计不可替代的作用。(4)逆向工程也广泛用于修复破损的文物、艺术品、或缺乏供应的损坏零件等。(5)借助于工业CT技术，逆向工程不仅可以产生物体的外部形状而且可以快速发现、定位物体的内部缺陷。- 8 -