第九章逆向工程、仿生机械与反求设计

第九章逆向工程、仿生机械与反求设计9.1逆向工程简介9.2机械仿生原理与仿生机械实例9.3机械反求设计§9.1逆向工程简介一、逆向工程的基本概念正向工程是由未知到已知、由想象到现实的过程。作为研究对象，产品实物是面向消费市场的设计成果，也是最容易获取的研究对象。同时，在产品开发和制造的过程中，最初的产品设计并不是由计算机辅助设计模型描述的，设计和制造者面对的是实物样件。目前，这种从实物样件获取产品数字模型并制造得到新产品的相关技术，即逆向工程技术，已成为CAD/CAM系统中的一个研究及应用的热点。逆向工程（reverseengineering)也称反求工程、反向工程，是一种以先进技术或产品的实物、样件、软件（图样、程序、技术文件等）或影像（照片、广告）作为研究对象，应用现代设计方法学、系统工程学、材料学、计算机辅助技术的理论和方法进行系统分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发同类的或更先进的产品技术，是针对消化、吸收先进技术采取的一系列分析方法和应用技术的综合。正设计是主动的创造，而逆向工程是先被动后主动的创造，并非是正向工程的简单逆过程。正向工程的关键是要解答：逆向工程的关键是要解答：怎么做？为什么要这么做？二、逆向工程的研究内容逆向工程包含对产品的研究与发展、生产制造过程、管理和市场组成的完整系统的分析和研究。主要包括以下几个方面。1.探索原产品设计的指导思想掌握原产品设计的指导思想是分析整个产品设计的前提。2.探索原产品原理方案的设计产品的功能目标是产品设计的核心问题，不同的功能目标，可引出不同的原理方案。掌握原产品原理方案的设计，可了解功能目标的确定原则，利用产品的改进设计。3.研究产品的结构设计零部件的具体结构是实现产品功能目标的保证。4.确定产品的零部件形体尺寸由外至内、由部件至零件分解产品实物。它是反求设计中工作量很大的一部分工作。5.确定产品中零件的精度确定零件的精度（即公差设计）是反求设计中的难点之一。精度是衡量反求对象性能的重要指标，科学合理地进行精度分配，对提高产品的装配精度和力学性能至关重要。6.确定产品中零件的材料在对原产品材料进行全面鉴定的基础上，立足实际，选择合用的材料。7.确定产品的工作性能对性能进行试验测定和分析，提出改进措施。8.确定产品的造型对产品的外形构型、色彩设计进行分析，以提高产品的外观质量和舒适程度。9.确定产品的维护与管理分析产品的维护和管理方式，了解重要零部件及易损零部件，有助于维修及设计的改进和创新。三、逆向工程的设计程序1.反求分析通过对原有产品的剖析，寻找原产品的技术缺陷，吸取其技术精华、关键技术，为改进或创新设计提出方向。包括宏观分析和详细分析。2.反求设计是一个创新设计阶段，包括变异设计和开发设计。在对原产品进行反求分析的基础上，开发出符合市场需求的新产品的过程，称为“再设计”。四、逆向工程的应用领域据统计，我国70%以上的技术源于国外，反求工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短40%以上，其应用领域大致可分为：1.复制零件原型2.建造实验模型用来设计需要通过实验测试才能定型的工作模型，以此作为设计此类零件及反求其模具的依据。3.评估美学效果在美学设计重要的领域，采用真实比例的木制或油泥模型来评估设计的美学效果。4.修复破埙艺术品修复破埙的艺术品或缺乏供应的损坏零件。不需要对整个零件原型进行复制，借助逆向工程技术抽取零件原型的设计思想，指导新的设计。五、逆向工程的关键技术1.实物原型的数字化技术通过特定的测量设备和测量方法，获取零件表面离散点的几何坐标数据的过程。2.数据点云的预处理技术主要包括半径补偿、数据插补、数据平滑、点云数据精简、不同坐标点云的归一化等。3.三维重构技术复杂曲面的CAD重构是逆向工程研究的重点。对复杂曲面产品来说，其实体模型可由曲面模型经过一定的计算演变而来，因此曲面重构是复杂产品逆向工程的关键。4.曲线/曲面光顺技术光顺操作在产品外形设计中尤为重要。常用的光顺方法有最小二乘法、能量法、回弹法、基于小波的光顺技术等，而光顺效果就取决于所使用方法的原理准则。5.逆向工程的误差分析和品质分析现阶段逆向工程所构造的CAD模型，多为几何形状重构，谈不上满足一定要求的“精度设计”和“精度制造”，这极大地限制了逆向工程的应用范围。①重构参数依据测量点数据经拟合运算得到的参数，体现在重构的CAD模型上。②实物原型参数零件或原型本身具有的固定形状参数。③原始设计参数体现在制造零件或原型的设计图纸上的参数。已知的未知的未知的2222损制测计构重构参数与原始设计参数之间存在误差，设为重构误差△构。在重构过程中，不可避免地会产生计算误差△计；在对零件或原型进行测量时，会产生测量误差△测；零件或原型自身也存在制造误差△制和磨损误差△损。重构误差由这四种误差组成，一般取各项误差的均方根作为重构误差，则有：反求工程制造的产品，是被置于原型的工作环境下，代替原型工作的。原型是用原始设计参数制造的，产品是用重构参数制造的，由于重构误差的存在，会出现废品。因此提高逆向精度仍然是一个待完善的课题。品质分析主要是分析曲面的光顺度，属于非量化评价。六、逆向工程与知识产权★保护知识产权是国际性的共同行为规范，任何一项新技术、新产品都应该受到有关保护法的法律保护。★反求技术的发展基础是仿制技术，但并不同于仿制技术。其着眼点在于对原有事物进行修改再设计后而制造出新的产品，因而避免了侵权的问题。★从事反求设计时，一定要懂得知识产权，不要侵害别人的专利权、著作权、商标权等受保护的知识产权。同时也要注意保护自己所创新部分的知识产权。§9.2机械仿生原理与仿生机械实例“鹰击长空，鱼翔浅底”，自然界形形色色的生物，都有着怎样的奇异本领？它们的奇异本领给了人们哪些启示？模仿这些本领，人类又可以创造出什么样的奇迹呢？仿生学一、仿生学简介基于模仿生物而兴起的仿生学是人类发明创造灵感的不竭源泉。人类文明进程的许多重大发明都源于仿生思维。仿生学（Bionics）是研究自然或生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。仿生的过程是向自然学习的过程，通过汲取自然界优化的精华为科学研究和生产实践服务。它绝不是简单的模仿，而是通过将仿生技术与工程应用实际相结合而实现科学技术创新。乌龟的龟壳与薄壳建筑龟壳的背甲呈拱形，跨度大，包括许多力学原理。虽然它只有2mm的厚度，但使用铁锤敲砸也很难破坏它。建筑学家模仿它进行了薄壳建筑设计。这类建筑有许多优点：用料少，跨度大，坚固耐用。薄壳建筑也并非都是拱形，举世闻名的悉尼歌剧院则像一组泊港的群帆。蜘蛛与装甲生物学家发现蜘蛛丝的强度相当于同等体积的钢丝的5倍。受此启发，英国剑桥一所技术公司试制成犹如蜘蛛丝一样的高强度纤维。用这种纤维做成的复合材料可以用来做防弹衣、防弹车、坦克装甲车等结构材料。鲸鱼与潜艇当代核潜艇能长时间潜航于冰海之下，但若在冰下发射导弹，则必须破冰上浮，这就碰到了力学上的难题。潜舴专家从鲸鱼每隔10分钟必须破冰呼吸一次中得到启迪，在潜艇顶部突起的指挥台围壳和上层建筑方面，作了加强材料力度和外形仿鲸背处理，果然取得了破冰时的“鲸背效应”。蝴蝶与人造卫星遨游太空的人造卫星，当受到阳光强烈辐射时，卫星温度会高达200°C；而在阴影区域，卫星温度会下降至零下200°C左右，这很容易烤坏或冻坏卫星上的精密仪器仪表，它一度曾使航天科学家伤透了脑筋。后来，人们从蝴蝶身上受到启迪。原来，蝴蝶身体表面生长着一层细小的鳞片，这些鳞片有调节体温的作用。每当气温上升、阳光直射时，鳞片自动张开，以减少阳光的辐射角度，从而减少对阳光热能的吸收；当外界气温下降时，鳞片自动闭合，紧贴体表，让阳光直射鳞片，从而把体温控制在正常范围之内。科学家经过研究，为人造地球卫星设计了一种犹如蝴蝶鳞片般的控温系统。二、仿生设计学它是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴边缘学科，是仿生学的延续和发展，是仿生学研究成果在人类生存方式中的反映。1.仿生设计学的研究内容形态仿生设计学功能仿生设计学视觉仿生设计学结构方式设计学2.仿生设计学的特点★艺术性和科学性★商业性——为设计服务、为消费者服务。★无限可逆性——研究对象（原型）是无限的。★学科知识的综合性★学科的交叉性——是一种新型交叉学科。3.仿生设计学的研究方法——模型分析法1）创造生物模型和技术模型从功能出发，研究生物体结构形态，在感性认识的基础上，提出一个生物模型，用模型模拟生物结构原理——研究生物体本身的结构原理。通过对模型的分析，做出定量的数学模型，用各种技术手段制造出可以在产品上进行实验的技术模型——研究和发展技术模型。2）可行性分析与研究①功能性分析；②外部形态分析；③色彩分析；④结构分析；⑤运动规律分析。三、仿生机械仿生机械是模仿生物的形态、结构和控制原理，设计、制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。1.仿生机械简史15世纪意大利的达·芬奇认为人类可以模仿鸟类飞行，并绘制了扑翼机图。只限于形体模仿随着近代生物学的发展，人们发现生物在能量转换、控制调节、信息处理、辨别方位、导航和探测等方面有着以往技术所不可比拟的长处，因此在自然科学中又出现了控制论，它奠定了机器与生物可以类比的理论基础。1960年，在美国召开了第一届仿生学讨论会，提出了“生物原型是新技术的关键”的论题，从而确定了仿生学学科；1970年日本手工研究会主办召开了第一届生物机构讨论会，从而确立了生物力学和生物机构学两个学科，在这个基础上形成了仿生机械学。2.仿生机械与机器人技术仿生机器人是仿生机械学中的一个最为典型的应用实例。从工程的角度看，它属于一种自动机械，具有对环境的通用性和实用性，可以实现独立的、随意的运行。从仿生学的角度看，认为它是具有近似人类相当部分功能的机械，能执行与人类似的动作。日本和美国在仿生机器人的研究领域起步早、发展快，取得了较好地成果。我国对仿生机器人的研究始于20世纪90年代，也取得了一定的成果。§9.3机械反求设计反求设计的研究对象一般分为以下三类：实物类——先进产品设备的实物本身；软件类——先进产品设备的图样、程序和技术文件等；影像类——先进产品设备的图片、照片和影像资料等；一、实物反求设计在已有产品实物的条件下，对产品的功能原理、设计参数、尺寸、材料、结构、装配工艺、包装使用等进行分析研究，研制开发出与原型产品相同或相似的新产品。这是一个从认识产品到再现产品或创造性开发产品的过程。1.实物反求设计的一般过程2.实物反求设计的特点1）具有直观、形象的实物，有利于形象思维。2）可对产品的功能、性能、材料等直接进行试验及分析，以获得详细的设计参数。3）可对产品的尺寸直接进行测绘，以获得重要的尺寸参数。4）可缩短设计周期，提高产品的生产起点与速度。5）引进的产品就是新产品的检验标准，有利于调高新产品开发的质量。二、软件反求设计硬件引进是以应用或扩大生产能力为主要目的，并在此基础上进行仿造、改造或创新设计新产品。软件引进是以增强本国的设计、制造、研制能力为主要目的，它能促使技术进步和生产力发展。三、影像反求设计既无实物、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，设计信息量少，基于这些信息来构思、想象开发新产品，称为影像反求。影像反求是反求设计中难度最大的并最富有创新性的设计。在影像反求设计中，对图片等资料进行分析的技术是最关键的技术，包括透视变换原理与技术、阴影、色彩与三维信息技术等。