浅谈反求工程与现代制造技术

浅谈反求工程与现代制造技术吴云鹏汽车仪表板开发流程•概念设计汽车仪表板开发流程•效果图汽车仪表板开发流程•油泥模汽车仪表板开发流程•测量汽车仪表板开发流程•点云数据汽车仪表板开发流程•CAD模型汽车仪表板开发流程•最终产品1反求工程的背景•二次大战中，几十个国家卷入战祸,饱受战争创伤。特别是战败国，在二战结束后，急于恢复和振兴经济。日本在60年代初提出科技立国方针：“一代引进,二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。为要国产化的改进,迫切需要对别国产品进行消化、吸收、改进和挖潜。这就是最早提出的反求工程(ReverseEngineering，RE)。发展到现在，已成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段或重要对策，反求工程的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。2反求工程的含义反求工程是一项涉及多学科、多种技术交叉的综合工程。它是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是对已有技术的设计，而再创造就是反求工程的灵魂。2反求工程的含义根据反求对象不同，一般可将反求工程分为三种：（1）实物反求它是在已有实物条件下，通过试验、测绘和详细分折，提出的再创造。其中包括功能反求、性能反求、方案、结构、材质、精度、使用规范等众多方面的反求。实物反求对象可以是整机、部件组件和零件。2反求工程的含义（2）软件反求产品样本、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。以技术软件为主要研究对象的反求工程成为软件反求。软件反求中有三类情况：一是既有实物，又有全套技术软件；二是有实物而无技术软件；三是无实物，仅有全套或部分技术软件。每类反求各有特点和难点。2反求工程的含义（3）影像反求既无实物，又无技术软件，仅有产品相片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面等，要从中去构思、想象来反求，这种情况下的反求工程称为影像反求，这是反求对象中难度最大的。影像反求本身就是创新过程。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。2反求工程的含义反求工程的实现存在着多种途径和手段，涉及到各种影响因素，其中主要影响因素有：①信息源的形式；②反求对象的形状、结构和精度要求；③制造企业的软、硬件条件及工程技术人员的自身素质。3反求工程的原理目前所称的反求工程是针对现有工件，利用3D数字化测量仪器准确、快速测量工件的表面点数据或轮廓线条，并加以创建曲面、分模、加工，制作所需模具；或由CAD系统生成的STL模型文件传至快速成型机(RapidPrototypingMachine)，将样品模型制作出来，直至达到满意效果。因此，反求工程并不是要完全仿制原有的产品，而是要掌握原有的设计理念，经过调整来建立一个类似的设计模型。也就是说，反求工程不只是重制（RE-Manufacturing），它还包括了再设计（RE-Design）。4反求工程的步骤•反求工程设计的基本步骤如图4-1所示，可以分为以下几个设计阶段：反求对象信息源（实物、图样、图片、NC程序、图像等）分析样本、确定技术指标定义零件的拓扑关系样本零件数据的获取测量数据修正反求对象模型重构模型的再分析和再设计制造工艺规划零件加工检验、测试反求工程新产品分析阶段再设计阶段制造阶段图4-1反求工程的基本步骤4反求工程的步骤•(1)分析阶段•首先需要对反求对象的功能原理、结构形状、材料性能、加工工艺等方面有着全面且深入的了解，明确其关键功能与关键技术，对其设计特别之处和不足之处都作出评估。•该阶段对反求工程是否能够顺利进行并取得成功至关重要。通过对反求对象相关信息的分析，可以确定原产品或样本零件的技术指标以及其中各元素之间的关系。4反求工程的步骤•(2)再设计阶段•在分析阶段的基础上，对反求对象进行再设计工作，包括对样本模型的测量规划、模型的重构、改进设计等过程。其具体任务包括：•a)根据分析结果和实物模型各元素之间的关系，制定零件的测量规划，确定实物模型测量的工具设备，确定测量的顺序和精度等；•b)对测量数据进行修正，尽量减少在测量过程中不可避免的测量误差。修正的内容应包括剔除测量数据中的坏点、修正测量值中明显不合理的测量结果、按照探求到的各元素之间关系修正其几何空间位置等；•c)按照修正后的测量数据以及反求对象的几何元素之间的拓扑关系，利用CAD系统重构反求对象的几何模型；•d)在充分分析反求对象功能的基础上，对产品模型进行再设计，根据实际需要在结构和功能等方面进行必要的创新和改进。4反求工程的步骤•(3)制造阶段•按照产品通常的制造方法，完成反求产品的制造。采用一定的检测手段，对反求产品进行结构和功能检测。如不满足设计要求，则需要返回分析阶段或再设计阶段进行重新的修改和设计。5反求工程中的关键技术•一、数据采集技术•1、接触式测量•2、非接触式测量•二、数据处理技术•1、点云法•2、数据的平滑•三、自由曲面/曲面三维重建1、接触式测量★三坐标测量仪是一种大型精密的三坐标测量仪器，可以对形状复杂的工件的空间尺寸（数据）进行测量。坐标测量机一般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。坐标测量机主要优点是测量精度高，适应性强，但测量效率低，而且对一些软质表面无法进行测量。只能反求外部形状一数据采集技术一数据采集技术1、接触式测量★层析法将被反求的零件原形填充后，采用逐层铣削和逐层光扫描相结合的方法获取零件原形不同截面的内外轮廓数据，并将其组合起来获得零件的三维数据。层析法的优点在于对任意形状、任意结构零件的内外轮廓进行测量，但测量方式是破坏性的。可以反求内部形状一数据采集技术2、非接触式测量★基于光学三角型原理的激光扫描法这种测量方法根据光学三角型测量原理，以光作为光源，其结构模式可以分为光点、单线条、多光条等。将其投射到被测物体表面，并采用光电敏感元件在另一位置接收光的反射能量，根据光点或光条在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系计算物体的深度信息。一数据采集技术2、非接触式测量★基于相位偏移测量原理的莫尔条纹法这种测量方法将光栅条纹投射到被测物体表面，光栅条纹受物体表面形状的调制，其条纹间的相位关系会发生变化，然后用数字图像处理的方法解析出光栅条纹图像的相位变化量，进而获取被测物体表面的三维信息。一数据采集技术2、非接触式测量★基于CT和ICT断层扫描图像逆向工程法对被测物体进行断层截面扫描，以X射线的衰减系数为依据，经过处理重建断层截面图像，根据不同位置的断层图像可建立物体的三维信息。该方法可以对被测物体内部的结构和形状进行无损测量。该方法造价高，测量系统的空间分辨率低，获取数据时间长，设备体积大。美国LLNL实验室研制的高分辨率ICT系统测量精度为0.01mm。一数据采集技术一数据采集技术一数据采集技术2、非接触式测量★立体视觉测量方法根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个（多个）摄像机拍摄的图像中的视差，以及摄像机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。该方法可以对处于两个（多个）摄像机共同视野内的目标特征点进行测量，而无须伺服机构等扫描装置。立体视觉测量面临的最大困难是空间特征点在多幅数字图象中提取与匹配的精度与准确性等问题。近来出现了以将具有空间编码的特征的结构光投射到被测物体表面制造测量特征的方法有效解决了测量特征提取和匹配的问题，但在测量精度与测量点的数量上仍需改进。一数据采集技术1、点云法通常将测量所获取的三维空间中散乱的点集称为“点云”（PointCloud）。最小的点云只包含一个点，高密度点云可达几百万数据点。为了能有效处理各种形式的“点云”,根据“点云”中点的分布特征(如排列方式、密度等)将“点云”分为：散乱“点云”、扫描线“点云”、网格化“点云”和多边形“点云”四种。二数据处理技术2、数据平滑技术在采集坐标点时,经常会采到一些噪音点,这些噪音点占数据总量的0.1%~5%,为了降低或消除噪音对后续建模质量的影响,有必要对测量的“点云”进行平滑滤波。数据平滑通常采用标准高斯、平均或中值滤波算法。二数据处理技术“点云”的平滑滤波：(l)高斯滤波高斯滤波是在指定域内的权重为高斯分布,其平均效果较小,故在滤波的同时能较好地保持原数据的形貌。(2)平均滤波平均滤波是指采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计平均值。(3)中值滤波中值滤波是指采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计中值,这种滤波器消除数据毛刺的效果较好。二数据处理技术三自由曲线|曲面三维重建在反向工程中,曲线、曲面的三维重建是最重要、最复杂的一项技术,即利用测量的“点云”数据通过某种算法拟合成曲线、曲面,从而构建出最后所需要的CAD模型,实现对零件的分析和加工,最终生产出我们所需要的产品。三自由曲线|曲面三维重建由于CAD/CAM系统快速的发展，各种自由曲线与自由曲面的理论应运而生，如Bezier、B-Spline、NURBS等。对复合曲线(CompositeCurve)而言，Bezier、B-Spline曲线适合处理较平坦的数据点。对于不平坦的数据点，曲面则会有局部平坦(LocalFlatness)或扭结(Kinks)的现象。和Bezier、B-Spline曲线相比较,NURBS(Non-UniformRationalB-Spline)曲线则对于不平坦的数据点有较好的处理结果。另外，对一般曲线而言，曲线的阶次愈高，愈易产生振荡现象(Oscillation)，而不易控制，且计算上将更加复杂。一般而言，三阶(Cubic)曲线是较常应用的曲线阶次，并且能满足大部分的应用。6反求工程应用领域实例•汽车工业如：汽车车身、内饰件设计等•航天工业•电动工具及消费电子产品•模具行业如：模具修改，制鞋业等•人体工程如：特种服装的设计•文物保护修复•医学科技如：假肢制造、人体量测、医疗器材制作等应用于汽车工业白车身设计－效果图白车身设计－油泥模型为方便评价其美学效果，设计师广泛利用油泥、粘土或木头等材料进行快速且大量的模型制作，将所要表达的意象以实体的方式呈现出来。此时，如何根据造型师制作出来的模型，快速建立三维CAD模型，就必须引入逆向工程的技术。对产品外形美学有较高要求的领域白车身设计－测量白车身设计－产品车身设计车身门板设计汽车座椅汽车轮毂航天工业当设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法，比如航天航空、汽车等领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在实体模型、缩小模型的基础上经过各种性能测试（如风洞实验等）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，最终确认的实验模型必须借助逆向工程，转换为产品的三维CAD模型及其模具。应用于产品检验应用于电动工具应用于消费性电子产品应用于制鞋业应用于人体工程，服装等领域特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需首先建立人体的几何模型。应用于建立数字化博物馆，保护修复文物、刑事侦查等方面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。此时，不需要复制整个零件，只是借助逆向工程技术抽取原来零件的设计思想，用于指导新的设计。艺术品很多物品很难用基本几何来表现与定义，例如流线型产品、艺术浮雕及不规则线条等，如果利用通用CAD软件、以正向设计的方式来重建这些物体的CAD模型，在功能、速度及精度方面都将异常困难。这种场合下，必须引入逆向工程，以加速产品设计，降低开发的难度。应用于医学领域颅骨修补个体化颅骨修复个体化颅骨修复用于牙齿矫正及假牙设计对牙齿进行扫描可以协助牙医师来进行牙齿矫正、假牙设计，扫瞄的牙齿模型更可进行模拟与量测，以作为临床试验之用。