反求工程论文

重庆科技学院现代设计方法（论文）题目浅谈反求工程在机械设计中的应用院（系）机械与动力工程学院专业班级机设应07学生姓名杨益学号2007540170评阅教师____职称___2009年11月28日浅谈反求工程在机械设计中的应用摘要：本文在论述反求工程的概念及基本原理的基础上,对反求工程在机械设计中的应用问题进行了探讨。叙述了表面数字化技术、表面重建技术、零件形体尺寸反求设计、公差反求设计、零件材料的反求设计等反求工程的一些关键技术，阐明了反求工程的应用,为快速、有效地开发新产品提供了新的思路,对设计工作有一定的指导意义。关键词：反求工程；机械设计；零件测绘；设计技术1反求工程的概念反求工程(ReverseEngineering,RE),也称逆向工程、反向工程,是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程,是一个从样品生成产品数字化信息模型,并在此基础上进行产品设计开发及生产的全过程。传统的产品设计过程是一个从无到有的过程,即设计人员首先在大脑中形成对该产品的总体构思,然后综合各方面的要素和因素,对产品的功能、性能、结构、尺寸、形状和技术参数等借助计算机建立其三维数字化信息模型,最终有可能将这个模型转入到制造流程中,指导生产过程,这样的产品设计过程我们称为正向设计过程。而在整个产品的设计过程中,所建立的三维数字化信息模型在后续的设计及制造环节中几乎没发挥作用,后期模型的制作还是依靠传统的手工方法制作,造成前后工作脱节。基于反求工程的产品设计从物质形态上来讲可以认为是一个从有到无再到有的过程。简单地说,反求工程产品设计就是根据已经存在的产品模型,反向推出产品设计数据(包括设计图纸和数字模型)的过程。从这个意义上说,反求工程在工业设计中的应用已经很久了。早期的船舶工业中常用的船体放样设计就是反求工程的很好实例。在工业设计的领域内,反求工程主要应用于新产品的造型设计中,以及产品的改型及更新换代的设计过程中,结合快速成型技术,快速的制造出产品样品的实物模型或模具,供设计者进行性能测试、直观评估和验证分析,完成产品的设计及制造。2反求工程的关键技术反求工程技术主要包括两方面的关键技术：一是实物表面数据的获取，即表面数字化技术；二是对测量数据进行处理生成三维模型，即表面重建技术。2.1、表面数字化技术表面数字化就是通过特定的测量设备和测量方法获得零件表面离散点的几何坐标数据。只有获得了样件的表面三维信息，才能实现复杂曲面的建模、评价、改进、制造。因而，高效、高精度地实现样件表面的数据采集，这是反求工程的主要研究内容之一。在反求工程中，传统的数字化方法是采用接触式测量，其典型代表是三坐标测量机。随着快速测量的需求及光电技术的发展，以计算机图像处理为主要手段的非接触式测量技术得到飞速发展。常用的非接触式测量方法一般可分为被动视觉和主动视觉两大类。被动式方法中无特殊光源，只能接收物体表面的反射信息，因而设备简单、操作方便、成本低，但算法较复杂。主动式方法使用一个专门的光源装置来提供目标周围的照明，通过发光装置的控制，能使系统获得更多的有用信息，降低问题难度。目前，国内的很多学者都在从事该技术的研究，并且取得了一定的成果。如钟志华等利用测量数据的特征线输入技术，降低了复杂曲面的产品反求工程中测量数据量；并提出了弦切角偏差法对这些测量数据进行过滤筛选，确保生成曲面的数据的有效和规则；同时利用参数样条函数对过滤筛选后的数据进行拟舍优化，将数据函数化，以更利于曲面的生成，且能利用数据的函数表达选择优化数据点的数量，并控制生成曲面的质量。代明君等对三维激光扫描测量系统若干重要子系统进行了设计和改良，采用改良后的激光扫描测量系统进行实验，连续测量十条激光条纹，经图像预处理后所得到的光点测量值与真值进行了比较，误差均在±0.1mm以内，得到了比较满意的测试效果，可以满足后续加工的要求。2.2、表面重建技术反求工程的目标是根据离散的数据点集构造出分段、光滑的CAD模型，因此重建技术成为反求工程的关键技术。在实际的产品中，只由一张曲面构成的情况不多，产品型面往往由多张曲面混合而成（如过渡、相交、裁剪等），因而，只用一张曲面去重构其数学模型是很难保证其模型精度的。于是，人们采用不同的方法来处理数据的分块问题。CBradey和GWVicker等提出一种两步方案，首先用函数方法（测量点插值，如Shepard插值）构造曲面的数学模型，然后在曲面上构造拓扑矩形网格。交互定义特征线，利用此矩形网格数据构造曲面。对于图像形数据（具有行、列）特点的数据，B.Sarkar和C.H.Menq运用图像处理的原理，获取曲面的特征线，然后根据这些曲线将曲面划分为不同的块，每块用B样条曲面拟合，最终使所有小块均满足要求为止。另一种方法则是基于曲线网格，首先估计各型值点的局部性质，找出特征线（如尖角、连续、及对称线等），将特征线拟合成曲线网格，对每一个网孔构造一张曲面，使网孔内部的点对其对应曲面具有最佳的逼近性，最终在所有曲面上构造拓扑矩形网格，交互定义特征线，利用此矩形网格数据构造曲面。胡鑫等提出了一种在反求工程中对散乱点云数据进行自动分割与曲面模型重构的方法。建立了散乱点云数据之间的拓扑信息，对点云数据进行三角剖分重构网格曲面模型。基于网格曲面求解点云数据的曲率极值，提取边界点云，进一步拟合成边界曲线。利用边界曲线将整个点云自动分割，每片点云采用二次曲面或自由曲面进行拟合，对于二次曲面可以根据参数自动确定曲面类型，最终得到完整的CAD模型。逆向工程技术中的曲面重构技术在产品研究开发中是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术。其难点为曲线的构建、检测和修改。只有得到光顺的曲线，拟合的曲面才能光顺。齐从谦等提出了基于特征的单元区域数据分割方法，简化了复杂曲面的拟合过程，在曲面（线）的光顺性方面，建立了以能量和曲率变化率作为双重准则的优化模型和算法，并以“曲线曲率梳型图”为工具，检验曲面（线）的光顺程度。贾明等给出了两种协调曲面的设计方法，截面线方法和最小二乘逼近法。两种方法都插值于边界和跨界切矢，保证了模型的整体的连续性。第一种方法插值于离散点，保证了较高的精度，同时有经验的工程人员可以对截面线进行编辑来控制设计曲面的形状和品质，有较大的灵活性。第二种方法插值于边界，同时逼近于内部离散点，而且可以通过控制光顺因子对曲面进行光顺。一般来说，光顺因子越大曲面越光顺，但误差也越来越大，当对模型的插值精度要求较高时，有可能达不到精度要求。3零件形体尺寸反求设计零件形体尺寸反求设计主要指在实物测绘基础上，通过分析和计算确定零件形体尺寸。在进行测绘之前，应备齐产品说明书、维修手册等有关资料，为反求设计作前期准备工作。另外还要收集与测绘有关的资料，如机器的装配与分解方法、典型零件的画法、标准件资料、制图以及国家标准等。3.1机械设备的分解在测绘之前，首先要对机械进行分解，以便进行尺寸测量。在分解时要注意以下原则：（1）遵循“能恢复原机”的原则进行拆机。（2）分解的零、部件按机器的组成进行编号，并有专人保管。（3）拆后不易复位的零件、过盈配合的零件或有些特殊的组件可不进行分解。（4）分解过程中要有分解记录。要特别注意记录难拆的零件和有装拆技巧的零件的分解过程，以减少恢复原机的困难。3.2零件测绘方法被测零件的形状千差万别，但按其在机械中所起作用可分为联接、紧固、传动、密封和箱壳类零件等。在测绘时要标明是否为标准件。测绘时要基本按比例画出零件草图，然后标注测量尺寸。尺寸的测量对实物反求至关重要，在进行尺寸测量时要注意以下问题：（1）选择测量基准。机械零件有两种尺寸，即表示零件基本形体相对位置的定位尺寸和表示零件基本形体大小的形状尺寸，定位尺寸确定后才能确定形体尺寸。一般可选择零件的底面、端面、中心线、轴线或对称面为尺寸基准。（2）关键零件的尺寸要进行多次测量，取其平均值为测量尺寸。（3）对配合尺寸、定位尺寸等功能性尺寸要测量到小数点后三位数字，没有公差的非功能性尺寸，仅测量到小数点后一位数字即可。（4）测量具有复杂形面的零件时（如汽轮机叶片、凸轮轮廓等），要边测量边画放大图，以检查测量中出现的问题，及时修正测量结果。（5）有些不能直接测量到的尺寸，要根据产品性能、技术要求、工作范围等条件，通过分析计算求出来。3.3实测尺寸数据处理实测尺寸不等于原设计尺寸，需要从实测尺寸推论出原设计尺寸。假设所测零件尺寸均为合格的尺寸，实测值一定是图样上规定的公差范围内的某一数值，即：实测值＝基本尺寸±制造误差±测量误差。制造误差与测量误差之和，必定小于或等于给定的公差，故实测值应在最大和最小极限尺寸之间。又根据概率统计原理，零件尺寸的制造误差与测量误差的概率分布服从正态分布规律，尺寸误差位于公差中值的概率最大，这是处理实测数据的基础。对于国外设备的英制标准产品，也可参照上述方法处理。对于一些重要的配合尺寸，还要把实测尺寸分解为基本尺寸和公差值。在确定基本尺寸时，首先要判别是基孔制配合还是基轴制配合。4公差的反求设计机械零件尺寸公差确定的优劣，直接影响部件装配和整机的工作性能。零件的公差一般是不能测量的，只能通过反求设计来解决。4.1配合公差的反求根据基本尺寸，选择配合精度，按两者差值小于或等于所对应公差一半的原则，最后决定出公差的精度等级和对应的公差值。4.2形位公差的反求根据对零件的实测结果选择形位公差时，要注意以下原则：（1）确定同一要素上的形位公差时，形状公差值要小于位置公差值。要分清两者的关系，如要求两平面平行时，其平面度公差值要小于平行度公差值。（2）圆柱类零件的形状公差值在一般情况下应小于其尺寸公差值。（3）形位公差值与尺寸公差值相适应。（4）形位公差值与表面粗糙度相适应。粗糙度很大，一般无形位公差要求。（5）选择形位公差时，要考虑到加工方法。依据上述几个原则，最后根据零件的功能、实测尺寸、加工方法，参照国家标准，选择出合理的形位公差。4.3表面粗糙度的反求机械零件的表面粗糙度可用粗糙度仪较准确地测量。测量出来后，再根据零件的功能、实测值、加工方法，参照国家标准，选择出合理的表面粗糙度。5零件材料的反求设计零件材料的选择与热处理直接影响到零件的强度、刚度、寿命、可靠性等指标，是机械设计中的重要问题。5.1材料成分分析材料的成分分析是指确定材料中的化学成分。对材料的整体、局部、表面进行定性分析或定量分析时，可通过以下手段：（1）火花鉴别法。根据材料与砂轮磨削后产生的火花定性判别材料的成分。（2）音质判别法。根据敲击材料声音的清脆不同，判别材料的成分。如铸铁音质哑，钢材的音质脆、余音长。6反求设计中的计算机辅助技术在反求设计中应用计算机辅助技术,可以大大减少人工劳动,有效缩短设计、制造周期。尤其是将自动测量、重构模型、自动成型、数控加工结合起来,用于三维实体造型的设计与反求,更是能够体现现代设计、加工技术的优越性。三维实体的数据测取与处理为反求三维实体的物理模型,经常采用的仪器设备是三坐标测量仪、坐标扫描仪、激光扫描仪或数字仪等。通过测取实物表面的形状、尺寸数据,将实体的物理模型转化为数字数据,再将这些数据交由数字处理系统,利用计算机辅助技术,通过对数据的编辑、处理、修补,就能方便地在计算机中建立三维实体的几何模型,并允许对所获得的几何模型进行适当的修改。三维实体的再造计算机辅助技术允许利用已获得的三维实体几何模型,通过对数据进行刀具轨迹编辑,自动生成轨迹,交由机床进行数控机械加工。若生成的是文件,则可将信号输人快速自动成型机,进行原型制造。事实上,在计算机、三坐标测量仪、数控加工及成型设备之间建立起网络连接,数据与信号的传输更是快捷、迅速。7结束语反求设计是现代反求工程的重要组成部分,通过反求设计,可以达到吸收先进技术,促进科技成果进步,实现技术创新的目的。反求设计重在分析与吸收,贵在继承与创新,好在能够洋为中用。反求分析是技术创新的基础与源泉。在反求的基础上进行工程设计,起点高、效果快、成本低,可以移植,可以组合,可以改造,可以创新,是发展高新技