逆向工程技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

/逆向工程技術(shù)及其發(fā)呈現(xiàn)狀【摘要】本文介紹了逆向工程的基本概念，重點(diǎn)分析的逆向工程技術(shù)過(guò)程，闡述了現(xiàn)代制造業(yè)中逆向工程的的發(fā)展前景以及逆向工程技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。本文對(duì)于我們正確相識(shí)逆向工程技術(shù)有確定的意義?！娟P(guān)鍵詞】逆向工程CAD/CAMsolidworkssurfacer反向

一、引言

在國(guó)外，逆向工程已經(jīng)作為一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法被引入到新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作中。我國(guó)也有許多企業(yè)應(yīng)用逆向工程技術(shù)，對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，以避開(kāi)艱苦的原型設(shè)計(jì)階段，這是一種產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)過(guò)程。所謂產(chǎn)品再設(shè)計(jì)，就是通過(guò)視察和測(cè)試某一種產(chǎn)品，對(duì)其進(jìn)行初始化，然后拆開(kāi)產(chǎn)品，逐一分析單個(gè)零件的組成、功能、裝配公差和制造過(guò)程。這些工作的目的就是要充分理解產(chǎn)品的制造過(guò)程，并以此為基礎(chǔ)在子系統(tǒng)和零件層面上，優(yōu)化設(shè)計(jì)出一種更好的產(chǎn)品。美國(guó)的許多工程學(xué)院開(kāi)設(shè)了逆向工程課程，教授學(xué)生用再設(shè)計(jì)代替原型設(shè)計(jì)，作為解決設(shè)計(jì)問(wèn)題的一種方法。近年來(lái)，在汽車、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域人們?cè)絹?lái)越多地接受逆向工程技術(shù)，來(lái)部分替代運(yùn)用多年的原型設(shè)計(jì)方法。

二、逆向工程的概念

逆向工程（ReverseEngineering，RE）是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的一種描述。在工程技術(shù)人員的一般概念中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)從無(wú)到有的過(guò)程：設(shè)計(jì)人員首先構(gòu)思產(chǎn)品的外形、性能和大致的技術(shù)參數(shù)等，然后利用CAD技術(shù)建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將這個(gè)模型轉(zhuǎn)入制造流程，完成產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)制造周期。這樣的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程我們可以稱之為“正向設(shè)計(jì)”。逆向工程則是一個(gè)“從有到無(wú)”的過(guò)程。簡(jiǎn)潔地說(shuō)，逆向工程就是依據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（包括設(shè)計(jì)圖紙或數(shù)字模型）的過(guò)程。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特殊是數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于測(cè)量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術(shù)成為逆向工程技術(shù)關(guān)注的主要對(duì)象。通過(guò)數(shù)字化測(cè)量設(shè)備（如坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光測(cè)量設(shè)備等）獲得的物體表面的空間數(shù)據(jù)，須要經(jīng)過(guò)逆向工程技術(shù)的處理才能獲得產(chǎn)品的數(shù)字模型，進(jìn)而輸送到CAM系統(tǒng)完成產(chǎn)品的制造。因此，逆向工程技術(shù)可以認(rèn)為是“將產(chǎn)品樣件轉(zhuǎn)化為CAD模型的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)和幾何模型重建技術(shù)”的總稱。圖1

逆向工程的實(shí)施過(guò)程是多領(lǐng)域、多學(xué)科的協(xié)同過(guò)程。從圖1中我們可以看出，逆向工程的整個(gè)實(shí)施過(guò)程包括了測(cè)量數(shù)據(jù)的采集/處理、CAD/CAM系統(tǒng)處理和融入產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的過(guò)程。因此，逆向工程是一個(gè)多領(lǐng)域、多學(xué)科的系統(tǒng)工程，其實(shí)施須要人員和技術(shù)的高度協(xié)同、融合。

三、逆向工程的應(yīng)用

逆向工程技術(shù)并不是孤立的，它和測(cè)量技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。

從理論角度分析，逆向工程技術(shù)能依據(jù)產(chǎn)品的測(cè)量數(shù)據(jù)建立和現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)完全兼容的數(shù)字模型，這是逆向工程技術(shù)的最終目標(biāo)。但憑借目前人們所駕馭的技術(shù)，包括工程上的和理論上的（如曲面建模理論），尚無(wú)法滿足這種要求。特殊是針對(duì)目前比較流行的大規(guī)模“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)建模，更是遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到干脆在CAD系統(tǒng)中應(yīng)用的程度。

“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)的采集有兩種方法：一種是運(yùn)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)零件表面進(jìn)行探測(cè)，另一種是運(yùn)用激光掃描儀對(duì)零件表面進(jìn)行掃描。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)CAD/CAM軟件處理后，可以獲得零件的數(shù)字化模型和用于加工的CNC程序。圖2所示為運(yùn)用激光掃描儀測(cè)量的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)砂型排氣道點(diǎn)云圖。圖2

在實(shí)際工作中，先接受LACUS150B激光掃描儀采集上百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，形成摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)砂型排氣道外形輪廓，再用Surfacer逆向軟件進(jìn)行由點(diǎn)到面的處理，圖3為用Surfacer軟件生成的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)砂型排氣道曲面幾何形態(tài)。圖3

數(shù)據(jù)采集完成后，用戶可利用CAD軟件加快逆向工程的處理過(guò)程。在志向狀況下，CAD軟件可用于：

■以任何格式輸入虛擬的幾何尺寸數(shù)據(jù)；

■處理采集到的點(diǎn)數(shù)據(jù)，有時(shí)甚至須要處理數(shù)億個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)序列；

■通過(guò)修改和分析，處理產(chǎn)生的輪廓曲面；

■將幾何形態(tài)輸出到下一級(jí)處理過(guò)程中；

■分析幾何形態(tài)，估算整體形態(tài)和樣品的差異。

最重要的是，軟件能夠允許用戶以三維透視圖的方式顯示工件，它完整地定義了工件的形態(tài)，不再須要多個(gè)視角的投影圖，設(shè)計(jì)者可干脆對(duì)曲面輪廓進(jìn)行再加工，而加工工人可以利用電子模型加工工件。

后處理軟件通過(guò)以下方式縮短逆向工程的時(shí)間：

■通過(guò)平滑連續(xù)的曲線網(wǎng)絡(luò)提高曲面的質(zhì)量；

■省去了準(zhǔn)備加工文件的時(shí)間

■不須要原型；

■運(yùn)用各種分析工具提高產(chǎn)品質(zhì)量。

可見(jiàn)，利用激光掃描儀掃描樣品采集點(diǎn)數(shù)據(jù)，再應(yīng)用Surfacer軟件生成高質(zhì)量曲面，相比干脆在CAD系統(tǒng)中進(jìn)行曲面造型，能節(jié)約數(shù)周的開(kāi)發(fā)時(shí)間。另外，利用激光掃描儀采集的幾何數(shù)據(jù)能生成符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式的文件，如IGES、VDA-FS、ISOG代碼、DXF和規(guī)定的ASCII、CAD/CAM格式，分析軟件包至少能支持其中的一種格式。

制造加工刀具并對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)是既耗時(shí)又費(fèi)錢的過(guò)程。Surfacer軟件能對(duì)各種困難形態(tài)的樣品進(jìn)行快速完整的檢驗(yàn)，從而使這一關(guān)鍵處理過(guò)程流水線化。用戶能夠參考三維模型精確地調(diào)整掃描數(shù)據(jù)，以便評(píng)估樣品和所需加工工件之間的差別，并計(jì)算相關(guān)變量，用彩色圖表的形式加以顯示，從而為幾何尺寸校驗(yàn)作出清晰完整的說(shuō)明。

Surfacer軟件的快速原型模塊（RPM）能夠快速利用數(shù)字化數(shù)據(jù)或利用其他系統(tǒng)的曲面幾何形態(tài)生成原形，從而縮短了實(shí)際原型的數(shù)字化周期，新的RPM快速工具大幅度地提高了快速原型技術(shù)的水平。因此筆者認(rèn)為，逆向工程技術(shù)和CAD/CAM系統(tǒng)是相輔相成的?，F(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，無(wú)論從理論還是實(shí)際應(yīng)用上都已經(jīng)特殊成熟，在這種狀況下，現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)不會(huì)也不能為了滿足逆向工程建模的特殊要求從系統(tǒng)底層結(jié)構(gòu)上進(jìn)行變更。另一方面，逆向工程技術(shù)中用到的大量建模方法完全可以借鑒現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)，不須要另外搭建新的平臺(tái)。圖4所示為用Solidworks三維軟件生成的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)砂型進(jìn)排氣道實(shí)體。圖4

基于這種分析，我們認(rèn)為逆向工程技術(shù)在整個(gè)制造體系鏈中處于一個(gè)從屬、幫助建模的地位，它可以利用現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)，幫助其實(shí)現(xiàn)自身無(wú)法完成的工作。有了這種相識(shí)，我們就可以明白為什么逆向工程技術(shù)（包括相應(yīng)的軟件）始終不是市場(chǎng)上的主流，而大多數(shù)CAD/CAM系統(tǒng)又均包含了逆向工程模塊或第三方軟件包這樣一種狀況。

四、逆向工程應(yīng)用實(shí)例

圖5所示為日本某品牌汽車的泵體。國(guó)內(nèi)某企業(yè)為增加企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間，支配要在原有泵體的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計(jì)。逆向工程技術(shù)在其中起到了舉足輕重的作用。圖5

在實(shí)際工作中，以該泵體為干脆復(fù)制對(duì)象，整個(gè)復(fù)制過(guò)程的主要步驟如下：

（１）樣本零件幾何型面原始數(shù)據(jù)的獲得。運(yùn)用LACUSE150B激光掃描儀干脆從模型中以CCD(光電偶合)方式獲得點(diǎn)數(shù)據(jù)。（２）對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的過(guò)濾和修正，剔除測(cè)量過(guò)程中由于各種因素及樣本零件表面缺陷而造成的誤差，從而獲得構(gòu)建樣本零件原始幾何模型的數(shù)據(jù)。（３）對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的數(shù)學(xué)擬合，為進(jìn)一步造型供應(yīng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。（4）由于樣本泵體的運(yùn)用時(shí)間長(zhǎng)，已發(fā)生了某些變更，因此在對(duì)零件應(yīng)用功能充分理解的基礎(chǔ)上，通過(guò)再設(shè)計(jì)對(duì)樣本零件的原始數(shù)據(jù)作必要的修正，并產(chǎn)生一個(gè)新的泵體零件幾何數(shù)字模型。（5）利用生成的數(shù)字模型進(jìn)行零件的手板制作。（6）對(duì)手板零件進(jìn)行幾何形態(tài)和應(yīng)用功能的檢驗(yàn)，假如效果不好，依據(jù)實(shí)際狀況，用工業(yè)油泥在手板零件的基礎(chǔ)上進(jìn)行手工完善，再利用激光掃描重新獲得模型數(shù)據(jù)。重復(fù)步驟（3）、（4）的工作。（7）進(jìn)行復(fù)制零件模具的加工制造，利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行困難曲面的加工。（8）在對(duì)模具進(jìn)行試模后，對(duì)泵體零件進(jìn)行幾何形態(tài)和應(yīng)用功能的檢驗(yàn)。

在整個(gè)復(fù)制過(guò)程中，為了保證復(fù)制的精度和精確性，對(duì)復(fù)制過(guò)程中作了以下幾個(gè)方面的考慮：（１）從零件應(yīng)用的角度，綜合考慮樣本零件的數(shù)據(jù)獲得和整個(gè)再設(shè)計(jì)過(guò)程，以提高復(fù)制精度和數(shù)據(jù)獲得和處理的效率。（２）綜合考慮測(cè)量工藝、制造工藝，這樣能有效地限制由制造過(guò)程引起的各種誤差，進(jìn)而提高整個(gè)復(fù)制過(guò)程的精確度。（３）由于樣本零件的困難性，所以復(fù)制零件的檢驗(yàn)是整個(gè)逆向工程中應(yīng)引起足夠重視的一環(huán)，是成功和否的關(guān)鍵。（４）充分了解樣本零件的工作環(huán)境及其功能，才能在復(fù)制過(guò)程中學(xué)習(xí)先進(jìn)的東西，提高和充溢自己。

圖5為用LACUSE150B激光掃描儀掃描之后，利用Surfacer處理點(diǎn)云、提取線、構(gòu)造曲面之后，借助三維軟件SolidWorks及Pro/ENGINEER進(jìn)行再設(shè)計(jì)得到的三維模型。圖6為泵體模具圖。圖6

和CAD/CAM系統(tǒng)在我國(guó)幾十年的應(yīng)用時(shí)間相比，逆向工程技術(shù)為企業(yè)所接受只有十幾年甚至幾年的時(shí)間。時(shí)間雖短，但是逆向工程技術(shù)廣袤的應(yīng)用前景和對(duì)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的巨大推動(dòng)作用，已經(jīng)引起了許多企業(yè)的關(guān)注。

五、逆向工程的其他應(yīng)用領(lǐng)域

以上介紹的只是逆向工程的一部分應(yīng)用，據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，逆向工程還可用于許多領(lǐng)域。

損壞或磨損零件的還原：當(dāng)零件損壞或磨損時(shí)，可以干脆接受逆向工程的方法重構(gòu)出CAD模型，對(duì)損壞的零件表面進(jìn)行還原和修補(bǔ)。由于被測(cè)零件表面的磨損，損壞等因素，會(huì)造成測(cè)量誤差，這就要求逆向工程系統(tǒng)具有推理和推斷實(shí)力。例如，對(duì)稱性、標(biāo)準(zhǔn)尺寸、平面間的平行和垂直等特性。最終，加工出零件。

數(shù)字化模型檢測(cè)：對(duì)加工后的零件，進(jìn)行掃描測(cè)量，再利用逆向工程法構(gòu)造出CAD模型，通過(guò)將該模型和原始設(shè)計(jì)的CAD模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，可以檢測(cè)制造誤差，提高檢測(cè)精度。

其他應(yīng)用：在汽/機(jī)車、航天、制鞋、模具和消費(fèi)性電子產(chǎn)品等制造行業(yè)，甚至在休閑消遣行