反求工程概述

1、反求工程概述1 .基本概念反求工程(Reverse Engineering，簡稱RE)又稱逆向工程技術(shù)，這一術(shù)語 起源于20世紀(jì)60年代，但對(duì)它從工程的廣泛性去研究，從反求的科學(xué)性進(jìn)行 深化還是從20世紀(jì)90年代初剛剛開始。反求工程類似于反向推理，屬于逆向 思維體系。反求工程是以設(shè)計(jì)方法學(xué)為指導(dǎo)，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)， 運(yùn)用各種專業(yè)人員的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和創(chuàng)新思維，對(duì)已有新產(chǎn)品進(jìn)行解 剖、深化和再創(chuàng)造，是已有設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)。反求工程技術(shù)是測量技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、圖形處理技術(shù)和加工技術(shù)相 結(jié)合的一門結(jié)合性技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和上述單元技術(shù)的逐漸 成熟，近年來在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中

2、愈來愈多的被得到應(yīng)用，因?yàn)樵诋a(chǎn)品開發(fā)過 程中需要以實(shí)物(樣件)作為設(shè)計(jì)依據(jù)參考模型或作為最終驗(yàn)證依據(jù)時(shí)尤其需 要應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，所以在汽車、摩托車的外形覆蓋件和內(nèi)裝飾件的設(shè)計(jì)，家電 產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)，藝術(shù)品復(fù)制中對(duì)反求工程技術(shù)的應(yīng)用需求尤為迫切。2.研究內(nèi)容反求工程技術(shù)的研究對(duì)象多種多樣，所包含的內(nèi)容也比較多，主要可以分 為以下三大類：實(shí)物類：主要是指先進(jìn)產(chǎn)品設(shè)備的實(shí)物本身；軟件類：包括先進(jìn)產(chǎn)品設(shè)備的圖樣，程序，技術(shù)文件等；影像類：包括先進(jìn)產(chǎn)品設(shè)備的圖片，照片或以影像形式出現(xiàn)的資料。反求工程包含對(duì)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(gè)方面：探索原產(chǎn)品

3、設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，掌握原產(chǎn)品設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，分析了解 整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程。如微型汽車的消費(fèi)群體是普通百姓，其設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想 是在滿足一般功能的前提下，盡可能降低成本，所以結(jié)構(gòu)上通常是較簡化的。探索原產(chǎn)品原理方案的設(shè)計(jì)，了解功能目標(biāo)的確定原則，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行 改進(jìn)設(shè)計(jì)。產(chǎn)品的功能概括而論是能量，物料信號(hào)的轉(zhuǎn)換。例如，一般動(dòng)力機(jī) 構(gòu)的功能通常是能量轉(zhuǎn)換，工作機(jī)通常是物料轉(zhuǎn)換，儀器儀表通常是信號(hào)轉(zhuǎn) 換。不同的功能目標(biāo)，可引出不同的原理方案。設(shè)計(jì)一個(gè)夾緊裝置時(shí)，把功能 目標(biāo)定在機(jī)械手段上，則可能設(shè)計(jì)出斜楔夾緊，螺旋夾緊，偏心夾緊，定心夾 緊，聯(lián)動(dòng)夾緊等原理方案；如把功能目標(biāo)確定擴(kuò)大，則可設(shè)計(jì)出液動(dòng)，氣動(dòng)，電

4、 磁夾緊等原理方案。研究產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品中零部件的具體結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能目標(biāo) 是保證，對(duì)產(chǎn)品的性能，工作能力，經(jīng)濟(jì)性，壽命和可靠性有著密切關(guān)系。確定產(chǎn)品的零部件形體尺寸，分解產(chǎn)品實(shí)物，由外至內(nèi)，由部件至零 件，通過測繪與計(jì)算確定零部件形體尺寸，并用圖樣及技術(shù)文件方式表達(dá)出 來?？偨Y(jié)箱體類，軸類,盤套類，齒輪，彈簧，曲線曲面及其它特殊形體的測量方 法,并合理標(biāo)注尺寸。確定產(chǎn)品中零件的精度，精度是衡量反求對(duì)象性能的重要指標(biāo)，是評(píng) 價(jià)反求設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量的主要技術(shù)參數(shù)之一。科學(xué)合理地進(jìn)行精度分配，對(duì)提高 產(chǎn)品的裝配精度和力學(xué)性能至關(guān)重要。確定產(chǎn)品中零件的材料，通過零件的外觀比較，重量測量，力學(xué)性能測

5、 定，化學(xué)分析，光譜分析，金相分析等試驗(yàn)方法，對(duì)材料的物理性能，化學(xué)成分, 熱處理等情況進(jìn)行全面鑒定，在此基礎(chǔ)上，遵循立足國內(nèi)的方針，考慮資源及 成本，選擇合用的國產(chǎn)材料，或參照同類產(chǎn)品的材料牌號(hào)，選擇滿足力學(xué)性能 及化學(xué)性能的國有材料代用。確定產(chǎn)品的工作性能，針對(duì)產(chǎn)品的工作特點(diǎn)機(jī)器主要性能進(jìn)行試驗(yàn)測 定，反計(jì)算和深入地分析，了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)規(guī)范，并提出改進(jìn)措施。確定產(chǎn)品的造型，對(duì)產(chǎn)品的外形構(gòu)型，色彩設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析，從美學(xué)原 則，顧客需求心里，商品價(jià)值等角度進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計(jì)和色彩設(shè)計(jì)。確定產(chǎn)品的維護(hù)與管理，分析產(chǎn)品的維護(hù)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(jì)的改進(jìn)和創(chuàng)新

6、。3反求工程的四個(gè)階段反求工程(逆向工程)一般可分為四個(gè)階段：第一步：零件原形的數(shù)字化通常采用三坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)或激光掃描儀等測量裝置來獲取零件原形 表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。第二步：從測量數(shù)據(jù)中提取零件原形的幾何特征按測量數(shù)據(jù)的幾何屬性對(duì)其進(jìn)行分割，采用幾何特征匹配與識(shí)別的方法 來獲取零件原形所具有的設(shè)計(jì)與加工特征。第三步：零件原形CAD模型的重建將分割后的三維數(shù)據(jù)在CAD系統(tǒng)中分別做表面模型的擬合，并通過各表面 片的求交與拼接獲取零件原形表面的CAD模型。第四步：重建CAD模型的檢驗(yàn)與修正采用根據(jù)獲得的CAD模型，重新測量和加工出樣品的方法來檢驗(yàn)重建的 CAD模型是否滿足精度或其他試驗(yàn)性能指

7、標(biāo)的要求，對(duì)不滿足要求者重復(fù)以上 過程，直至達(dá)到零件的逆向工程設(shè)計(jì)要求。反求工程一般都遵循點(diǎn)一線一面一體的原則。圖3.1反求工程(RE)流程圖4反求工程的應(yīng)用與集成4.1反求工程的應(yīng)用反求工程(逆向工程)是近年來發(fā)展起來的，消化、吸收和提高先進(jìn)技 術(shù)的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合，其主要目的是為了改善技術(shù)水平， 提高生產(chǎn)率，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)競爭力。反求工程(逆向工程)的應(yīng)用領(lǐng)域大致可分為以下幾種情況：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，在 對(duì)零件原形進(jìn)行測量的基礎(chǔ)上形成零件的設(shè)計(jì)圖紙或CAD模型，并以此為依據(jù) 利用快速成型技術(shù)復(fù)制出一個(gè)相同的零件原型。當(dāng)要設(shè)計(jì)需要通過實(shí)驗(yàn)測試

8、才能定型的工件模型時(shí)，通常采用反求工 程的方法。比如航天航空領(lǐng)域，為了滿足產(chǎn)品對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)等要求，首先要 求在初始設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上經(jīng)過各種性能測試(如風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等)建立符合要 求的產(chǎn)品模型，這類零件一般具有復(fù)雜的自由曲面外型，最終的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?成為設(shè)計(jì)這類零件及反求其模具的依據(jù)。在美學(xué)設(shè)計(jì)特別重要的領(lǐng)域，例如汽車外型設(shè)計(jì)廣泛采用真實(shí)比例的 木制或泥塑模型來評(píng)估設(shè)計(jì)的美學(xué)效果，而不采用在計(jì)算機(jī)屏幕上縮小比例 的物體投視圖的方法，此時(shí)需用反求工程的設(shè)計(jì)方法。修復(fù)破損的藝術(shù)品或缺乏供應(yīng)的損壞零件等，此時(shí)不需要對(duì)整個(gè)零件 原型進(jìn)行復(fù)制，而是借助反求工程技術(shù)抽取零件原形的設(shè)計(jì)思想，指導(dǎo)新的 設(shè)計(jì)。這是由實(shí)

9、物逆向推理出設(shè)計(jì)思想的一種漸近過程。4.2反求工程與快速成型的集成模型研究圖4.1 RE與RP的數(shù)據(jù)交換接口模式在RE于RP集成的數(shù)據(jù)交換接口模式有四種。采用模式Q，根據(jù)已有的產(chǎn)品 模型，利用三維坐標(biāo)測量儀測量產(chǎn)品模型點(diǎn)云，采用CATIA等軟件重新構(gòu)建零件 三維CAD模型橫、縱截面的產(chǎn)品輪廓線型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以及對(duì)現(xiàn) 有產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)和再創(chuàng)造的更新設(shè)計(jì)。采用模式Q，RE借助于CAD系統(tǒng)來轉(zhuǎn)化 成STL文件(Stereo LithographyFile)，通過反求得到的矢量化層片輪廓信息自 接驅(qū)動(dòng)RP設(shè)備逐層疊加而成三維實(shí)體；利用反求技術(shù)來重構(gòu)出實(shí)體模型。例如 RP在塑料注件中的應(yīng)用，

10、如圖4.2所示。通過對(duì)實(shí)物反求得到滴頭模具CAD模型，然后通過RP技術(shù)實(shí)現(xiàn)原型疊層制造。（a）滴頭RP原型（b）滴頭鋅鋁合金軟模具圖然而通過這種模式有不足CAD模型轉(zhuǎn)化并輸出 STL文件，并且零件越復(fù)雜、精度越高的實(shí)蹦型把把商用CAD軟件轉(zhuǎn)化為STL文 件時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)截?cái)嗾`差導(dǎo)致面片間的間隙、法矢錯(cuò)誤、錯(cuò)誤的面相交和面 片的退化等錯(cuò)誤和缺陷，從而需要大量的時(shí)間和精力確認(rèn)或修正這些錯(cuò)誤和缺 陷。經(jīng)過比較，模式。和模式。都繞開了反求工程中技術(shù)“瓶頸”一一三維散亂 數(shù)據(jù)的復(fù)雜曲面重構(gòu)和CAD造型，輸出的STL文件很少出現(xiàn)錯(cuò)誤。所以這兩種模式 是RE與RP直接集成理想的數(shù)據(jù)交換。3D掃描儀就是運(yùn)用

11、模式Q，通過激光測距原 理（包括脈沖激光和相位激光），瞬時(shí)測得空間三維坐標(biāo)值的測量儀器，利用激 光掃捕技術(shù)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則的場景的三維可 視化模型，既省時(shí)又省力，這種能力是現(xiàn)行的三維建模軟件所不可比擬的。美國Cyberware公司以影視特技制作著稱，一套完整掃描裝置由測量單元、 掃描平臺(tái)、主機(jī)和相應(yīng)的軟件組成。還生產(chǎn)出可用于人頭部掃描的三維掃描儀， 并為迪斯尼等多家動(dòng)畫、特技公司所采用，在許多影片的計(jì)算機(jī)維特技制作中扮 演了重要角色。運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，把虛擬的人物動(dòng)作等表現(xiàn)出來。Cyberware可以 驕傲地列出很長一串影片名作為其產(chǎn)品成功應(yīng)用的例子，如終結(jié)者II、侏

12、 羅紀(jì)公園、蝙蝠俠II、機(jī)械戰(zhàn)警，等等。圖4.3 Cyberwar e的代表產(chǎn)品3030三維掃描儀國內(nèi)很多規(guī)模較大的研究機(jī)構(gòu)也紛紛采用了三維掃描儀進(jìn)行反求工程，如上 海交通大學(xué)模具CAD國家工程研究中心，它們采用德國GOM公司的流動(dòng)式光學(xué)掃描 設(shè)備、美國CYBERWARE公司的彩色掃描儀(f3030 / RGB / PS)、英RENISHAW公司的 高速掃描數(shù)字化系統(tǒng)CYCLONE及專用軟件TRACECUT等。4.3 RE/RP集成的應(yīng)用以汽車后橋上殼為實(shí)例，分析了反求工程中實(shí)物的測量方案，并利用三 坐標(biāo)測量機(jī)對(duì)實(shí)物進(jìn)行測量，對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在UG軟件中進(jìn)行實(shí)物的建模。圖4.4后橋上殼外部

13、模型 圖4.5后橋上殼內(nèi)部模型 圖4.6后橋上殼實(shí)體模型以某汽輪機(jī)葉片為基礎(chǔ)，利用接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)獲取零件三維數(shù)據(jù)， 即通過裝夾零件、標(biāo)定測頭測桿、工件坐標(biāo)系的建立、測量打點(diǎn)、數(shù)據(jù)輸出等步 驟得到零件的幾何三維數(shù)據(jù)。最后通過實(shí)例的操作，得到葉片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并分 析在手動(dòng)打點(diǎn)過程中產(chǎn)生測量誤差的原因及其改善措施。分析表明，確定合理的 測量路徑、建立合適的零件坐標(biāo)系、確定合適的測點(diǎn)個(gè)數(shù)、均勻的測力及其操作 經(jīng)驗(yàn)，可以提高點(diǎn)云的精度。利用反求工程技術(shù)對(duì)打結(jié)器的架體進(jìn)行三維重構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用三坐標(biāo)測 量儀對(duì)重構(gòu)的打結(jié)器架體進(jìn)行修正。打結(jié)架體作為打結(jié)器的核心部件，外形復(fù)雜， 其上的加工孔位也較難確定，完

14、全的根據(jù)正向設(shè)計(jì)比較困難。采用反求工程對(duì)打 結(jié)器零部件實(shí)物進(jìn)行掃描測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法，重構(gòu)打結(jié) 器零部件的三維CAD模型，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)。4.4 Imageware在逆向工程中的應(yīng)用Imageware逆向工程軟件的主要功能有：Surfacer逆向工程工具和class 1曲 面生成工具；對(duì)verdict和CAD測量數(shù)據(jù)的對(duì)比評(píng)估；Build it實(shí)時(shí)測量，驗(yàn)證產(chǎn)品的制造性；RPM生成快速成型數(shù)據(jù)；View提供三維報(bào)告（功能與Verdict相似）。 分為零件三維數(shù)據(jù)的獲取及處理和NURBS曲面重構(gòu)。運(yùn)用Imageware逆向工程軟件 成功地對(duì)汽車車身造型進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，

15、有效改進(jìn)了車身設(shè)計(jì)的水平，大大縮短了 設(shè)計(jì)周期。圖4.4輸入1 mageware系統(tǒng)圖4.5車身的重構(gòu)曲面5反求工程的應(yīng)用展望反求工程是一門開拓性、綜合性和實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)。有其獨(dú)特的共性 技術(shù)和內(nèi)容，還是一門新興的交叉學(xué)科分支，正如高新技術(shù)層出不窮，解密 技術(shù)亦要相應(yīng)發(fā)展。反求工程包含的內(nèi)容和知識(shí)面很廣，不同專業(yè)產(chǎn)品又有 不同領(lǐng)域。反求過程中，如何用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法和技術(shù)去尋求符合國情 的適用技術(shù)，是提高國產(chǎn)化零件質(zhì)量的核心問題。同時(shí)開展反求工程的研究和應(yīng)用，有助于人才培養(yǎng)。人們需要通過學(xué)習(xí)、 創(chuàng)造、發(fā)明去發(fā)現(xiàn)新事物，而反求本身既是學(xué)習(xí)又可盡快掌握高新技術(shù)，縮 小差距。發(fā)達(dá)國家重視反求，正在發(fā)展中國家更要重視和掌握這種藝術(shù)和技 術(shù)。要完成一項(xiàng)反求任務(wù)，進(jìn)而再創(chuàng)造，需學(xué)習(xí)和掌握眾多知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，促 使人們不斷去探討“為什么這樣做”，進(jìn)而深化提高到“應(yīng)該怎樣做”。參考文獻(xiàn):曹軍.Imageware在逆向工程中的應(yīng)用J.工具技術(shù)，2010, 10(44)： 83 84張秀萍.反求工程關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用J.機(jī)械工程自動(dòng)化，2010, 4(161)： 195196王春升程仲文胡彥軍.反求