逆向工程技术的应用.docx

逆向工程技术的应用仿制、仿造已经成为了我国一部分企业的固定生 产方式，针对市场热门产品的仿造品屡见不鲜，逆向 工程的广泛应用在其中起到了不可忽视的作用于 是，经常有人将逆向工程和非法仿制联系在一起，甚 至提出了知识产权保护等法律层面的问题实际上， 逆向工程代表了一种非常高效的产品设计思路和方 法本文从逆向工程设计的概念出发，阐述了现代制 造业中逆向工程的概念以及逆向工程在模具制造等 行业中的作用本文对于我们正确认识逆向工程技术 有一定的意义一、引言在国外，逆向工程已经作为一种先进的设计方法被引 入到新产品的设计开发工作中我国也有许多企业应 用逆向工程技术，对竞争对手的产品进行改进，以避 开艰苦的原型设计阶段，这是一种产品的再设计过 程所谓产品再设计，就是通过观察和测试某一种产 品，对其进行初始化，然后拆开产品，逐一分析单个 零件的组成、功能、装配公差和制造过程这些工作 的目的就是要充分理解产品的制造过程，并以此为基 础在子系统和零件层面上，优化设计出一种更好的产 品美国的许多工程学院开设了逆向工程课程，教授 学生用再设计代替原型设计，作为解决设计问题的一 种方法近年来，在汽车、电子产品等领域人们越来 越多地采用逆向工程技术，来部分替代使用多年的原 型设计方法。

二、逆向工程的概念逆向工程(Reverse Engineering, RE)是对产品设 计过程的一种描述在工程技术人员的一般概念中， 产品设计过程是一个从无到有的过程：设计人员首先 构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利 用CAD技术建立产品的三维数字化模型，最终将这个 模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期 这样的产品设计过程我们可以称之为“正向设计” 逆向工程则是一个“从有到无”的过程简单地说， 逆向工程就是根据已经存在的产品模型，反向推出产 品的设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字 化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技 术成为逆向工程技术关注的主要对象通过数字化测 量设备（如坐标测量机、激光测量设备等）获取的物 体表面的空间数据，需要经过逆向工程技术的处理才 能获得产品的数字模型，进而输送到 CAM 系统完成产 品的制造因此，逆向工程技术可以认为是“将产品 样件转化为 CAD 模型的相关数字化技术和几何模型重 建技术”的总称RE产晶建摸琶統PDMCAD CAM系统V V U U最藝产品 RP设备 U＞样 品口评愉应改|逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程。

从图 1 中我们可以看出，逆向工程的整个实施过程包 括了测量数据的采集/处理、CAD/CAM系统处理和融入 产品数据管理系统的过程因此，逆向工程是一个多 领域、多学科的系统工程，其实施需要人员和技术的 高度协同、融合三、逆向工程在 CAD/CAM 体系中的应用 逆向工程技术并不是孤立的，它和测量技术、CAD/CAM 技术有着千丝万缕的联系从理论角度分析，逆向工程技术能按照产品的测量数 据建立与现有 CAD/CAM 系统完全兼容的数字模型，这 是逆向工程技术的最终目标但凭借目前人们所掌握 的技术，包括工程上的和理论上的（如曲面建模理 论），尚无法满足这种要求特别是针对目前比较流 行的大规模“点云”数据建模，更是远没有达到直接 在 CAD 系统中应用的程度点云”数据的采集有两种方法：一种是使用三坐标 测量机对零件表面进行探测，另一种是使用激光扫描 仪对零件表面进行扫描采集到的数据经过 CAD/CAM 软件处理后，可以获得零件的数字化模型和用于加工 的 CNC 程序图 2 所示为使用激光扫描仪测量的摩托 车发动机砂型排气道点云图在实际工作中，先采用 LACUS150B 激光扫描仪采集上 百万个点数据，形成摩托车发动机砂型排气道外形轮 廓，再用Surfacer逆向软件进行由点到面的处理， 图3为用Surfacer软件生成的摩托车发动机砂型排 气道曲面几何形状。

数据采集完成后，用户可利用CAD软件加快逆向工程 的处理过程在理想情况下，CAD软件可用于： ■ 以任何格式输入虚拟的几何尺寸数据； ■ 处理采集到的点数据，有时甚至需要处理数亿个 点数据序列； ■ 通过修改和分析，处理产生的轮廓曲面； ■ 将几何形状输出到下一级处理过程中；■ 分析几何形状，估算整体形状与样品的差异最重要的是，软件能够允许用户以三维透视图的方式 显示工件，它完整地定义了工件的形状，不再需要多 个视角的投影图，设计者可直接对曲面轮廓进行再加 工，而加工工人可以利用电子模型加工工件后处理软件通过以下方式缩短逆向工程的时间：■ 通过平滑连续的曲线网络提高曲面的质量；■ 省去了准备加工文件的时间■ 不需要原型；■ 运用各种分析工具提高产品质量可见，利用激光扫描仪扫描样品采集点数据，再应用Surfacer软件生成髙质量曲面，相比直接在CAD系统中进行曲面造型，能节省数周的开发时间另外，利 用激光扫描仪采集的几何数据能生成符合工业标准 格式的文件，如IGES、VDA-FS、ISOG代码、DXF和规 定的 ASCII、CAD/CAM 格式，分析软件包至少能支持 其中的一种格式制造加工刀具并对其进行检验是既耗时又费钱的过 程。

Surfacer软件能对各种复杂形状的样品进行快速 完整的检验，从而使这一关键处理过程流水线化用 户能够参考三维模型精确地调整扫描数据，以便评估 样品和所需加工工件之间的差别，并计算相关变量， 用彩色图表的形式加以显示，从而为几何尺寸校验作 出清晰完整的说明Surfacer软件的快速原型模块（RPM）能够快速利用 数字化数据或利用其他系统的曲面几何形状生成原 形，从而缩短了实际原型的数字化周期，新的RPM快 速工具大幅度地提高了快速原型技术的水平因此笔 者认为，逆向工程技术与CAD/CAM系统是相辅相成的 现有 CAD/CAM 系统经过几十年的发展，无论从理论还 是实际应用上都已经十分成熟，在这种情况下，现有 CAD/CAM 系统不会也不能为了满足逆向工程建模的特 殊要求从系统底层结构上进行变更另一方面，逆向 工程技术中用到的大量建模方法完全可以借鉴现有 C AD/CAM 系统，不需要另外搭建新的平台图 4 所示为 用 Solidworks 三维软件生成的摩托车发动机砂型进 排气道实体基于这种分析，我们认为逆向工程技术在整个制造体 系链中处于一个从属、辅助建模的地位，它可以利用 现有CAD/CAM系统,帮助其实现自身无法完成的工作。

有了这种认识，我们就可以明白为什么逆向工程技术 （包括相应的软件）始终不是市场上的主流，而大多 数 CAD/CA M系统又均包含了逆向工程模块或第三方软 件包这样一种情况四、逆向工程应用实例图 5 所示为日本某品牌汽车的泵体国某企业为增强 企业竞争力，节省开发时间，计划要在原有泵体的设 计基础上进行再设计逆向工程技术在其中起到了举 足轻重的作用在实际工作中，以该泵体为直接复制对象，整个复制 过程的主要步骤如下：（1）样本零件几何型面原始数据的获取运用LAC USE150B激光扫描仪直接从模型中以CCD（光电偶合） 方式获取点数据2）对采集到的数据进行必要的 过滤与修正，剔除测量过程中由于各种因素及样本零 件表面缺陷而造成的误差，从而获得构建样本零件原 始几何模型的数据3）对所测得的数据进行必要 的数学拟合，为进一步造型提供基础数据4）由 于样本泵体的使用时间长，已发生了某些变化，因此 在对零件应用功能充分理解的基础上，通过再设计对 样本零件的原始数据作必要的修正，并产生一个新的 泵体零件几何数字模型5）利用生成的数字模型 进行零件的手板制作6）对手板零件进行几何形 状与应用功能的检验，如果效果不好，根据实际情况， 用工业油泥在手板零件的基础上进行手工完善，再利 用激光扫描重新获取模型数据。

重复步骤（3）、（4） 的工作7）进行复制零件模具的加工制造，利用 数控机床进行复杂曲面的加工8）在对模具进行 试模后，对泵体零件进行几何形状与应用功能的检 验在整个复制过程中，为了保证复制的精度与准确性， 对复制过程中作了以下几个方面的考虑：（1）从零 件应用的角度，综合考虑样本零件的数据获取与整个 再设计过程，以提高复制精度和数据获取与处理的效 率2）综合考虑测量工艺、制造工艺，这样能有 效地控制由制造过程引起的各种误差，进而提高整个 复制过程的精确度3）由于样本零件的复杂性， 所以复制零件的检验是整个逆向工程中应引起足够 重视的一环，是成功与否的关键4）充分了解样 本零件的工作环境及其功能，才能在复制过程中学习 先进的东西，提高与充实自己图 5 为用 LACUSE150B 激光扫描仪扫描之后，利用 Su rfacer 处理点云、提取线、构造曲面之后，借助三维 软件 SolidWorks 及 Pro/ENGINEER 进行再设计得到的 三维模型图 6为泵体模具图与 CAD/CAM 系统在我国几十年的应用时间相比，逆向 工程技术为企业所接受只有十几年甚至几年的时间 时间虽短，但是逆向工程技术广阔的应用前景和对企 业竞争力的巨大推动作用，已经引起了很多企业的关 注。

五、逆向工程的其他应用领域以上介绍的只是逆向工程的一部分应用，据有关资料 报道，逆向工程还可用于许多领域损坏或磨损零件的还原：当零件损坏或磨损时，可以 直接采用逆向工程的方法重构出 CAD 模型，对损坏的 零件表面进行还原和修补由于被测零件表面的磨 损，损坏等因素，会造成测量误差，这就要求逆向工 程系统具有推理和判断能力例如，对称性、标准尺 寸、平面间的平行和垂直等特性最后，加工出零件数字化模型检测：对加工后的零件，进行扫描测量， 再利用逆向工程法构造出CAD模型，通过将该模型与 原始设计的CAD模型在计算机上进行数据比较，可以 检测制造误差，提高检测精度其他应用：在汽/机车、航天、制鞋、模具和消费性 电子产品等制造行业，甚至在休闲娱乐行业也可发现 逆向工程的痕迹另外在医学领域逆向工程也有其应 用价值，如人工关节模型的建立六、结束语逆向工程作为一门独立的技术，有较大的随机性其 整体思路是一致的，但实现过程因人而异，因事而异， 最后殊途同归总之，在可预见的未来，逆向工程将 在制造加工业中得到更广泛的应用。