逆向工程技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

王 亮

（淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223001）

1 逆向工程的概念、原理及流程

1.1 基本概念

逆向工程簡稱RE (Reverse Engineering)，又稱“反求工程”[1]。產(chǎn)品設(shè)計過程通過逆向工程來反映和描述。與“逆向設(shè)計”相對應(yīng)的是“正向設(shè)計”,“正向設(shè)計”過程是從無到有的，分為三個步驟：第一，設(shè)計者在大腦中對產(chǎn)品進(jìn)行構(gòu)造、功能和指標(biāo)等進(jìn)行構(gòu)思；第二，三維數(shù)字化模型通過繪制圖紙的方式建立；第三，將其引入具體的生產(chǎn)過程中，從而完成全部設(shè)計生產(chǎn)周期。

1.2 逆向工程基本原理

逆向工程基本原理就是一個“從有到無”的過程，即根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)(包括設(shè)計圖紙或數(shù)字模型)的過程[2]。

1.3 逆向工程的基本步驟

逆向工程可歸納為以下三個步驟：（1）分析階段：對反求對象的功能原理，結(jié)構(gòu)形狀、材料性能、加工工藝等方面有全面深入的了解。（2）二次設(shè)計階段：測量規(guī)劃樣本模型、重構(gòu)、改進(jìn)模型的設(shè)計和仿制。（3）產(chǎn)品制造階段。

2 逆向工程關(guān)鍵技術(shù)

2.1 常用的測量技術(shù)

目前，比較常用的有三種測量方法：一種是非接觸式測量，這種方法在逆向開發(fā)過程中得到越來越廣泛的應(yīng)用，因為它獲取的測量數(shù)據(jù)多，信息密度大，測量精度好，工作效率高；第二種是接觸式測量，也就是在物理模型上打點(diǎn)時使用三坐標(biāo)測量機(jī)，提取三維坐標(biāo)打點(diǎn)的信息；第三種是逐層掃描式數(shù)據(jù)測量法，對于不僅需要外形數(shù)據(jù)，而且需要內(nèi)部形狀數(shù)據(jù)的生產(chǎn)設(shè)計時，可用逐層掃描測量法完成數(shù)據(jù)的獲取[3]。

2.2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

數(shù)據(jù)分割，首先依據(jù)構(gòu)成實物曲面外形的子曲面類型，然后將屬于同一曲面類型的數(shù)據(jù)劃歸成組和數(shù)據(jù)域，最后重建模型。數(shù)據(jù)分割有兩種方法：自動分割和基于丈量的分割[4]。

數(shù)據(jù)平滑，在丈量數(shù)據(jù)時容易產(chǎn)生噪聲，通過數(shù)據(jù)平滑可以消除噪聲并且獲得良好的提取效果和準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。一般常采用標(biāo)準(zhǔn)高斯、中值或均勻濾波等計算方法。。

數(shù)據(jù)處理，逆向工程中重要的技術(shù)環(huán)節(jié)之一，丈量系統(tǒng)的不同導(dǎo)致所獲得的數(shù)據(jù)格式是不一致的，它直接影響著重建后續(xù)CAD模型的過程。

2.3 曲面重構(gòu)技術(shù)

逆向工程中，曲面重構(gòu)是其關(guān)鍵技術(shù)之一，進(jìn)行曲面重構(gòu)前，對零件進(jìn)行仔細(xì)分析是重要環(huán)節(jié)，在分析過程中應(yīng)考慮以下兩點(diǎn)：

（1）形成完整的設(shè)計方案。面對點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先要全面考慮好先后流程，以及如何去做，然后再劃分模型特征區(qū)，最后整合出整體的設(shè)計思路。

（2）確定由哪些曲面類型構(gòu)成了設(shè)計模型，從而為曲面重構(gòu)過程中選取合適的曲面重構(gòu)方法和工具提供有利依據(jù)。

3 逆向工程在機(jī)械制造中的應(yīng)用

逆向工程技術(shù)主要應(yīng)用在以下方面：

已有產(chǎn)品零件的仿制和改型：通過逆向工程技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品仿制和改型能夠吸收先進(jìn)設(shè)計制造成果，以使產(chǎn)品設(shè)計周期短、起點(diǎn)高、效果好[5]。

質(zhì)量檢驗：產(chǎn)品的檢測是逆向工程技術(shù)發(fā)展的一個新方向，在掃描測量加工后的零部件時，利用曲面重構(gòu)技術(shù)在逆向工程中的應(yīng)用，對重新建構(gòu)模型與最初設(shè)計的模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，有助于檢測誤差和提高精度，在進(jìn)行實際制造的產(chǎn)品外形是否達(dá)到達(dá)標(biāo)，精度是否準(zhǔn)確等都可以通過逆向工程技術(shù)加以檢測。

新產(chǎn)品的迅速研發(fā)和優(yōu)化設(shè)計：在實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計的過程中，將逆向工程和工業(yè)設(shè)計結(jié)合起來共同研發(fā)新品。

損壞或磨損零件的還原：在進(jìn)行制造工藝復(fù)雜，成本昂貴的零部件 CAD模型還原時，快速原型制造已成為目前行之有效的手段之一，它的制作過程是在 CAD模型的直接驅(qū)動下產(chǎn)生的。逆向工程技術(shù)恰好可以提供 CAD模型，兩種技術(shù)相結(jié)合形成產(chǎn)品由測量到建模到修改最后進(jìn)行再測量的一個閉環(huán)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)快速測量、設(shè)計、制造、修改的反復(fù)循環(huán)[6]。

4 結(jié)束語

目前我國的逆向工程技術(shù)研究還處于起步階段，與國外先進(jìn)水平相比差距依然很大，因此，我國需要盡快建立逆向工程技術(shù)的系統(tǒng)研究平臺，在工業(yè)設(shè)計中考慮逆向工程，通過采用逆向工程可以大大縮短研發(fā)周期，降低產(chǎn)品研發(fā)成本。

[1]E.Badouel, L.Bernardinello, and P.Darondeau, “Polynomial algorithmsfor the synthesis of bounded nets”, Lecture Notes in ComputerScience, vol.915, 364-378, 1995.

[2]金濤，童水光．逆向工程技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

[3]M.Farsari, G.Filippidis, S.Zoppel, G.A.Reider, C.Fotakis,Efficient femtosecond laser micromachining of bulk 3C-SiC, J.Micromech.Microeng.15 (2005) 1786–1789.

[4]E.Badouel and P.Darondondeau, “On the synthesis of general Petrinets”, Inria Research Report No 3025, 1996.

[5]E.Badouel and P.Darondeau, “Theory of Regions”, Lecture Notes in Computer Science, vol.1491, pp.529-586, 1998.

[6]劉德平.逆向工程關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].西安：西安電子科技大學(xué), 2008.

[7]Thiozawa et al.Thermal air flow analysis of an automotive headlamp：the PIV measurement and the CFD calculation for a mass production model[J].JSAE Review, 2001(22)：245-252

[8]Belle R M，Vemuri B C．On three—dimensional surface reconstruction methods．IEEE PAMI．1991,13(1)：1-13