快速制造技术3D打印技术逆向工程测量技术简介

第1章逆向工程测量技术简介在当今信息化的社会，制造业的竞争日趋激烈，产品更新速度不断加快，生产方式趋于小批量、多品种，因此产品开发的速度和制造技术的柔性显得特别重要。在实际应用中，经常需要由实物快速制造模具或在它的基础上改进设计。在此背景下，由实物直接获得三维CAD（ComputerAidedDesign）模型的技术即逆向工程（ReverseEngineering，RE）应运而生并得到快速发展。逆向工程技术是测量技术、数据处理技术、图形处理技术和加工技术相结合的一门结合性技术。随着计算机技术的飞速发展和上述单元技术的逐渐成熟，近年来在新产品设计开发中愈来愈多的被得到应用，因为在产品开发过程中需要以实物(样件)作为设计依据参考模型或作为最终验证依据时尤其需要应用该项技术，所以在汽车、摩托车的外形覆盖件和内装饰件的设计、家电产品外形设计、艺术品复制中对逆向工程技术的应用需求尤为迫切。所谓逆向工程是将数据采集设备获取的实物样件表面或表面及内腔数据，输入专门的数据处理软件或带有数据处理能力的三维CAD软件中进行处理和三维重构，在计算机上复现实物样件的几何形状，并在此基础上进行原样复制、修改或再设计，该方法主要用于对难以精确表达的曲面形状或未知设计方法的构件形状进行三维重构和再设计。1.1.逆向工程测量技术的产生和发展1.1.1.逆向工程测量技术出现和发展的时代背景二次大战中，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20世纪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为突出。为了要国产化的改进，迫切需要对别国产品进行消化、吸收、改进和挖潜。这就是反求设计(ReverseDesign)或逆向工程(ReverseEngineering)，这两者是同一内涵，仅是不同国家的不同提法。发展到现在，己成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段或重要对策，逆向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。实际上，任何产品问世，包括创新、改进和仿制的，都蕴含着对已有科学、技术的继承和应用借鉴。因而反求思维在工程中的应用已源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则是20世纪60年代初出现的。市场经济竞争机制已渗透到各个领域，如何发展科技和经济，世界各国都在研究对策。从共性特征可概括为以下4个方面对策：(1)大力提倡创造性。包括新的思维方式、新原理、新理论、新方案、新结构、新技术、新材料、新工艺、新仪器等等。对于发展一个国家的国民经济来说，创造性是永恒主题。(2)研究和应用新的设计理论、方法去改造和完善传统的方法，以便能既快又好地设计出新型产品。(3)把计算机应用广泛地引入产品设计、开发的全过程(预测、决策、管理、设计制造、试验、销售服务等)中，以期达到这些过程的一体化、智能化和自动化。(4)研究和应用逆向工程，以便能在高的起点去创造新产品。1.1.2.逆向工程测量技术的发展和深化现代设计理论和方法包括通用的(不针对具体工程专业)和专用的(针对工程专业)的两大范畴。科技发展日新月异，如果说早期的反求活动偏于模仿性、经验性、粗略近似的技术活动，用传统的、常规的方法基本可以胜任，那么对现代产品中高新技术和复杂多样的技术就无能为力。例如用断裂力学设计的产品，使用中出现裂纹是正常的，要想用经典力学去反求是无法解释的；高次方组合曲线或曲面的零件断面，不掌握优化技术就难以消化；引进产品中的某些零件寿命可精确地给出多少小时多少分，如不掌握疲劳和可靠性设计方法，该零件的寿命就会是个谜。逆向工程包含的内容和知识面很广，不同专业产品又有不同的领域。诸如原理、方案、功能、性能、参数、材质、结构、表面状况、精度和公差、工艺过程、油品、试验和检测、使用规范、维修、运输、可靠性、经济性、贮存等等都要寻究“为什么”的答案，要找出其先进科学的和落后不足的细节。引进产品不一定都先进，盲目吸收掩盖了落后，不适合国情是虚假的先进，最后都要吃大亏，都不是真正的反求的目标。反求过程中，如何用现代设计理论、方法和技术去寻求符合国情的适用技术，是提高国产化零件质量的核心问题。寻找适用技术就是再创造，一旦突破，成效显著，有时可使产品上水平、上档次。顺便指出，开展逆向工程的研究和应用，有助于人才培养。人们需要通过学习、创造、发明去发现新事物，而反求本身既是学习又可尽快掌握高新技术，缩小差距。发达国家重视反求，正在发展中国家更要重视和掌握这种艺术和技术。要完成一项反求任务，进而再创造，需学习和掌握众多知识和经验，促使人们不断去探讨“为什么这样做”，进而深化提高到“应该怎样做”。特别是中外合资和技术引进后的国产化，有大量反求工作。国产化就要创新，反求本质就是再创造，没有相应技术的人才就很难胜任。1.1.3.应用展望近年来，快速成型（RapidPrototyping，RP）技术同逆向工程结合，为逆向工程注入了新的活力。借助逆向工程，快速成型制造技术不仅可以在原始设计的基础上快速生成实物，也可以用来复制实物，包括放大、缩小、修改和复制等。还可以方便地对快速成型制造技术本身制得的产品进行快速、准确的测量，用来验证由三维CAD设计制得的原型与原设计的吻合程度，找出产品的不足，重新设计，使产品更加完善。可见，在快速成型技术中引入逆向工程技术，大大缩短了产品的设计与制造周期，从而形成了快速设计与制造的生产系统，这被称之为快速逆向工程技术（RapidReverseEngineering，简称RRE）。逆向工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术。尽管国内外已有大量成功经验，但目前还很少有这方面系统的论著，大多散见在各个行业的案例或设计资料中，很多企业也不愿将其反求技术公开。应该看到，逆向工程有其独特的共性技术和内容，还是一门新兴的交叉学科分支，正如高新技术层出不穷，解密技术亦要相应发展。在工程专业领域，需有设计、制造、试验、使用、维修、检测等方面知识；在现代设计法领域，应有系统设计、优化、有限元、价值工程、可靠性、工业设计、创新技法等知识；在计算机方面，需有硬件和软件的基本知识；等等。总之，现行产品中的各种复杂、高新技术，在逆向工程中都会遇到如何消化吸收问题。1.1.4.逆向工程与知识产权任何一项新技术、新产品，应该受到有关保护法(如专利法、知识产权法、商标法等)的法律保护，这是国际性的共同行为规范，这才能引导正常的市场竞争和贸易。逆向工程绝不等于偷技术，它是在科技道德和法律制约下，从学术、工程、技术方面来促进科技的发展。这是因为：(1)任何产品的设计、开发，总要借鉴、继承已有的知识和技术，市场上的产品总要被别人借鉴，关键要划清产权的界限。(2)青出于蓝而胜于蓝是发展规律，通过反求来发展新产品，起点高，周期短，成效快，决非照抄照搬。(3)科学的反求，有助于促进技术革新，扩大眼界，有助于尽快培养新人。但应该强调，作为一个国家、民族，为发展科技和振兴经济，不能全靠反求来生存；鼓励独立的创造性永远是主旋律或主题。1.2.逆向工程的具体内容1.2.1.含义反求技术包括影像反求、软件反求及实物反求等三方面。目前相对最多人研究的是实物反求技术。它是研究实物CAD模型的重建和最终产品的制造。狭义来说，三维反求技术是将实物模型数据转化成设计、概念模型，并在此基础上对产品进行分析、修改及优化等技术。传统的产品开发过程通常是从收集市场信息入手，按照“产品功能描述－产品概念设计－产品总体设计及零部件详细设计－制定生产工艺流程－设计工装－零部件加工及装配－产品检验及性能测试”的步骤，是从未知到已知、从抽象到具体的过程，我们称之为正向工程（或顺向工程）。而逆向工程则是按照产品引进、消化、吸收与创新的思路，根据零件（或原型）生成图样，再制造产品。其最主要的任务是将原始物理模型转化为工程设计概念或产品数字化模型，即从一个存在的零件或原型入手，首先对进行其数字化处理（将整个零件或原型用一个庞大的三维点的数据集合来表示），然后是构造CAD模型，CAD模型经创新设计后输入数控机床或快速成型设备，最后制造产品。一方面，为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供充足的信息，另一方面为充分利用先进的CAD/CAE/CAM等技术对已有的产品进行再创新设计服务。从发展的角度看，只有支持进一步的创新功能的逆向工程技术才具有更加广阔的应用前景，包含了“逆向测量数据的三维重构”与“基于原型或重建数字化模型的再设计”的逆向工程，才真正体现了逆向工程的核心和实质。图1-1为正向工程和逆向工程的工作过程示意图。从中可以看出，正向工程中从抽象的概念到产品数字化模型建立是一个计算机辅助的产品“物化”过程；而逆向工程是对一个“物化”的产品再设计，强调数字化模型建立的快捷性和效率，以满足产品更新换代和快速响应市场的要求。逆向工程中，由离散的数字化点或点云到产品数字化模型的建立是一个复杂的设计意图理解、数据加工和编辑的过程。（a）正向工程流程(b)逆向工程流程图1-1正向工程和逆向工程的流程示意图广义的逆向工程研究内容十分广泛，概括起来主要包括产品设计意图与原理的逆向，美学审视和外观逆向、几何形状与结构逆向、材料逆向、制造工艺逆向和管理逆向等等，是一个复杂的系统工程。本文所指的“逆向工程”是指“实物逆向工程”，即狭义的逆向工程。1.2.2.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：主要是指先进产品设备的实物本身；（2）软件类：包括先进产品设备的图样、程序、技术文件等；（3）影像类：包括先进产品设备的图片、照片或以影像形式出现的资料。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了解整个产品设计的前提，如微型汽车的消费群体是普通百姓，其设计的指导思想是在满足一般功能的前提下，尽可能降低成本，所以结构上通常是较简化的。（2）探索原产品原理方案的设计各种产品都是按定的使用要求设计的，而满足同样要求的产品，可能有多种不同的形式，所以产品的功能目标是产品设计的核心问题。产品的功能概括而论是能量，物料信号的转换。例如：一般动力机构的功能通常是能量转换，工作机通常是物料转换，仪器仪表通常是信号转换。不同的功能目标可引出不同的原理方案，设计一个夹紧装置时，把功能目标定在机械手段上，则可能设计出斜楔夹紧、螺旋夹紧、偏心夹紧、定心夹紧、联动夹紧等原理方案；如把功能目标确定扩大，则可设计出液动、气动、电磁夹紧等原理方案。探索原产品原理方案的设计，可以了解功能目标的确定原则，这对产品的改进设计有极大帮助。（3）研究产品的结构设计产品中零部件的具体结构是实现产品功能目标是保证，对产品的性能、工作能力、经济性、寿命和可靠性有着密切关系。（4）确定产品的零部件形体尺寸分解产品实物，由外至内，由部件至零件，通过测绘与计算确定零部件形体尺寸，并用图样及技术文件方式表达出来。它是反求设计中工作量很大的一部分工作，为更好地进行形体尺寸的分析与测绘，应总结箱体类、轴类、盘套类、齿轮、弹簧、曲线曲面及其它特殊形体的测量方法，并合理标注尺寸。（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。通过测量，只能得到零件的加工尺寸，而不能获得几何精度的分配。精度是衡量反求对象性能的重要指标，是评价反求设计产品质量的主要技术参数之一。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通过零件的外观比较、重量测量、力学性能测定、化学分析、光谱分析、金相分析等试验方法，对材料的物理性能、化学成分、热处理等情况进行全面鉴定，在此基础上，遵循立足国内的方针，考虑资源及成本，选择合用的国产材料，或参照同类产品的材料牌号，选择满足力学性能及化学性能的国有材料代用。（7）确定产品的工作性能针对产品的工作特点、机器的主要性能进行试验测定、反