产品的逆向设计与逆向工程

128第四章产品的逆向设计与逆向工程随着科学技术的高速发展，世界范围内新的科技成果层出不穷。这些高科技成果为发展生产力、推动社会进步做出了贡献。同时，市场全球化使企业面临的竞争对手不断增多，面临的竞争压力日益加重，市场经济竞争机制已渗透到各个领域。如何充分合理地利用高科技成果，快速发展经济，从而获得最佳的技术经济效益，是世界各国都在认真研究的问题。实际上，在设计制造领域，任何产品的问世，都蕴含着对已有科学技术的应用和借鉴，并在此基础上进一步提高与发展。引进、消化、提高及创新之路是我国机电产品设计、制造行之有效的方法之一。在信息化制造中这一思路就体现为逆向工程，它是消化吸收并改进国内外先进技术并在此基础上使其达到更高的境界，实现创新为其最终目的，逆向工程所追求的不应是简单的仿制，而是再提高.引进国外先进技术一般划分为引进、消化和创新三个阶段。引进阶段一般只考虑购买国外的技术专利或先进的机器设备，其主要目的是利用这些先进技术和设备改造、提高现行的生产过程，创造更大的经济效益；消化阶段则是对引进国外先进的技术和机器设备进行深入的分析研究，结合我国生产实际情况，明确哪些可为我所用，哪些经过改造后可为我所用，通过引进、消化以带动行业的发展；而创新阶段是在综合消化引进技术的基础上，利用各种设计制造手段，对原有技术进行改进、创新，以求设计制造出在技术、性能等方面更好、市场竞争能力更强的产品，做到青出于蓝而胜于蓝。因而世界各国在经济技术发展中都非常重视应用引进国外先进技术一般划分为引进、消化和创新三个阶段。引进阶段一般只考虑购买国外的技术专利或先进的机器设备，其主要目的是利用这些先进技术和设备改造、提高现行的生产过程，创造更大的经济效益；消化阶段则是对引进国外先进的技术和机器设备进行深入的分析研究，结合我国生产实际情况，明确哪些可为我所用，哪些经过改造后可为我所用，通过引进、消化以带动行业的发展；而创新阶段是在综合消化引进技术的基础上，利用各种设计制造手段，对原有技术进行改进、创新，以求设计制造出在技术、性能等方面更好、市场竞争能力更强的产品，做到青出于蓝而胜于蓝。因而世界各国在经济技术发展中都非常重视应用逆向工程对国外先进技术进行引进、吸引、消化及提高的研究工作。这方面日本是一个成功的范例。战后的日本把旨在引进国外先进技术的“吸收性战略”作为坚定不移的国策来推行的同时，十129分注意逆向工程的研究，对先进技术进行消化、吸收和国产化，并采用移植、组合、改造等方法开发出许多新产品。他们的口号是“第一台引进，第二台国产化，第三台出口”。积极地应用逆向工程给二战后的日本国民经济注入了活力，推动了日本经济的高速发展，使日本一跃成为世界经济强国。重视逆向工作研究的不仅是日本，其他国家也是如此。据有关资料表明，各国百分之七十以上的技术都来自国外，要掌握这些技术，正常的途径都是通过逆向工程。因此逆向工程技术的应用对于加快我国科技进步，推动经济建设有着重要的意义，在我们推行逆向工程时，一定要明确逆向工程决不是简单的复制。本章将简单介绍逆向工程的基本原理、发展过程和应用要点。第一节逆向工程的概念、内容和发展概况一、逆向工程的含义逆向工程（ReverseEngineering）又称为反求工程或逆工程，是近年发展起来的引进、消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。它以已有的产品或技术为研究对象，以现代设计理论、生产工程学、材料学、计量学、计算机技术及计算机图形学和有关专业知识为基础，以解剖、掌握对象的关键技术为目的，最终实现对研究对象的认识、再现及创造性地开发。逆向工程的设计过程与传统的设计过程是完全不同的。传统的设计过程如图a所示，是通过工程师的创造性劳动，一个事先并不知道的事物变为人类需求的喜爱的产品，即根据产品的总的功能要求，通过概念设计，以工程图或CAD模型表示，并制定出加工方案，经检查满意后，利用各种设备和手段制造出产品来。而逆向工程的设计过程则是从已知事物的有关信息（包括实物、技术资料文件、照片、广告、情报等）出发，去寻求这些信息的科学性、技术性、先进性、经济性、合理性等等，要回溯这些信息的科学依据，即充分消化和吸收，而更重要本质是在此基础上要改进、挖潜进行再创造。图4-1所示为传统设计及逆向设计过程示意图。图a传统设计过程130图b逆向工程的设计过程图4-1传统设计及逆向设计过程示意图二、逆向工程技术的研究对象及研究内容逆向工程技术的研究对象多种多样，所包含的内容也比较多，主要可以分为以下三大类：1．实物类：通常实物逆向指在机械制造业领域的实物逆向，是指在没有设计图样或者设计图样不完整以及没有CAD模型的情况下，对现有实物产品利用各种测量技术采集数据及采用多学科综合技术重构零件原型的CAD模型，并在此基础上进行再设计的过程。与传统的产品设计、制造过程相比，逆向工程具有截然不同的设计流程。如图4-2所示。图4-2逆向工程流程图如果将传统的设计、制造过程看作是前向制造方式，即由高层次的抽象概念设计出发，到最终生产出产品，而逆向工程则是在实物原型再现基础上，对现有产品或产品零部件进行分析，明确其工作原理、结构特点及其相互关系等等的一系列的分析过程，对已有产品进行再设计。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。它是对实物进行三维数字化处理,数字化手段包括传统测绘和各种先进测量方法,将获得的三维离散数据131作为初始素材,借助专用的曲面处理软件和CAD/CAM系统构造实物的CAD模型,输出NC加工指令或用STL文件驱动CNC或用快速成型机制造出产品或原型。逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程。逆向工程的整个实施过程包括了从测量数据采集、处理到常规CAD/CAM系统，最终与产品数据管理系统（PDM系统）融合的过程。因此，逆向工程是一个多领域、多学科的系统工程，逆向工程的实施需要人员和技术的高度协同和融合。2．软件类：依据产品样本、产品标准、设计说明书、使用说明书、产品图纸、操作与管理规范和质量保证手册等技术软件设计新产品的过程，称为软件逆向。与实物逆向相比，软件逆向应用于技术引进的软件模式中，以增强国家“创新能力”为目的，具有更高层次。通过软件逆向一般可知产品的功能、原理方案和结构组成，若有产品图纸则还可以详细了解零件的材料、尺寸、精度。3．影像类：既无实物，又无技术软件，仅有产品照片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面等，设计信息最少，基于这些信息来构思、想象开发新产品，称为影像逆向，这是逆向对象中难度最大的并最富有创新性的逆向设计。影像逆向本身就是创新过程。影像逆向目前还未形成成熟的技术，一般要利用透视变换和透视投影，形成不同透视图从外形、尺寸、比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构，并要求设计者具有较丰富的设计实践经验。在21世纪知识经济时代，企业产品的开发创新能力是决定其能否长期占有市场，在激烈的市场竞争中生存、发展的重要因素。逆向工程作为近几年发展起来的一种消化、吸收原有产品技术、提高产品品质的一种设计方法，已引起人们的广泛重视，也是产品创新设计途径之一。产品的创新主要有两种方式：1)创造发明一种全新的技术与产品；2)在原有技术、产品的基础上进行再设计和再创造。这两种方式互为补充，缺一不可。以已有的产品为基础进行再设计和再创造。这两种方式互为补充，缺一不可。以已有的产品为基础进行再设计已经成为一个快捷设计理念，其实现的方法就是利用逆向工程技术，在吸收已有技术基础上提高自己产品的各种性能。三、逆向工程技术的发展状况该技术是20世纪80年代末期由美国3M公司、日本名古屋工业研究所以及美国UVP公司提出并研制开发成功的。进入90年代以来,随着全球市场竞争加剧，逆向工程技术被放到大幅度缩短新产品开发周期和增强企业竞争能力的重要地位上来。目132前，该技术已广泛用于家电、汽车、玩具、轻工、医疗、航空、航天、国防等行业，并取得了巨大的经济效益。例如TEXASINSTRMENT公司采用该技术后,在一个零件中就平均节约了30美元的开支。如图4-3所示。图4-3TEXASINSTRMENT公司采用的逆向工程技术CHRYSLOR汽车公司采用该技术开发新的发动机机体，节约了6个月的开发时间.美国PRATTSCWHITNCY公司快速制造了2000个铸件，按常规方法约需700万美元，而用此技术只用了60多万美元，生产时间节约了70%～90%.截止到1999年底,全球逆向工程RP系统装机台数已超过5000台，其中一部分在大企业集团，如美国通用、福特汽车公司都有数十台RP系统分布在公司的不同部门，更为重要的是有大部分此类系统在以服务中心的模式运行,为中小企业应用该技术提供服务。在经过了初期50%的高速增长后，世界快速制造业步入稳定增长时期,年增长率在17%左右，相比之下,亚洲则显示了强劲的活力,以47%的年增长率迅速发展。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，需要利用逆向工程CAD技术获得产品的CAD数学模型，进而利用CAM系统完成产品的制造。出于市场的需要,逆向工程的研究日益引人注目,从对逆向工程几何造型研究工作全面总结至今,在数据处理、曲面片拟合、规则特征识别、专用商业软件和三维扫描仪的开发上已取得较为明显的进步,但在实际应用中,整个过程仍需大量的人工交互,操作者的经验和素质影响着产品的质量,自动重建曲面的光顺性难以保证,因此逆向工程技术依然是目前CAD/CAM领域一个十分活跃的研究方向。133第二节逆向工程的关键技术现代意义的逆向工程，是包含多种学科知识在内的新兴学科。本文将从三维数据测量、数据处理、三维模型重构、原始设计参数还原和精度设计与分析、性能分析与虚拟仿真等方面介绍逆向工程的关键技术。一、数据采集数据采集是指用某种测量方法和设备测量出实物原型各表面的点的几何坐标，又称零件数字化，是逆向工程中最基本、最不可少的步骤。物体三维几何形状的测量方法基本可分为接触式和非接触式，而测量系统与物体的作用不外乎光、声、机、电、磁等方式，采用哪一种数据采集方法要注意测量方法、测量精度、采集点的分布和数目及测量过程对后续CAD模型重构的影响。测量方法如图4-4所示。图4-4测量方法的分类1.测量方法1）接触式测量方法接触式测量方法通过传感测量头与样件的接触而记录样件表面的坐标位置,由图4-4所示,接触式测量方法有机械手和坐标测量机两种。机械手方法是用机械手来接触物体表面,然后通过安装在手关节上的传感设备来确定相关点的坐标位置,是一种获取数据速度最慢的测量方法。三坐标测量法(又称探针扫描法)是典型的接触式测量方法,也是当前应用最广泛的三维样件模型数字化方法之一,它是利用三坐标测量机(有各种不同直径和形状的探头)的接触探头逐点地捕捉样件表面的坐标134数据。当探头上的探针沿样件表面运动时,样件表面的反作用力使探针发生形变,这种形变由连接在探针上的三坐标方向的弹簧产生的位移反映出来,并通过传感器测出其大小和方向,再通过数模转换,由计算机显示、记录所测的点数据。接触式测量方法的技术比较成熟,突出的优点是可以达到很高的测量精度(±0.5μm),另外对样件的材质、色泽无特殊要求,还可以人工对样件进行测量规划以减小数据处理的难度和工作量。缺点是测量效率低,不适宜测量具有复杂内部型腔、特征几何尺寸少及特征曲面较多的样件模型。2）非接触式测量方法非接触式测量方法主要是基于光学、声学及磁学等领域中的基本原理,将一定的物理模拟量通过一定的算法转化为样件表面的坐标点。在工程实际中常用的方法有坐标测量，激光测量，立体视觉，断层扫描。2．数据采集方法1）坐标测量机。坐标测量机（CoordinateMeasuringMachine，CMM）是一种大型精密的三维坐标测量仪器。整个测量系统由三坐标测量机、电气控制单元、计算机以及测量软件等