逆向工程的基本概念及其在工程中的具体应用

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　　仿制、仿造已经成为了我国一部分企业的固定生产方式，针对市场热门产品的仿造品屡见不鲜，逆向工程的广泛应用在其中起到了不可忽视的作用。于是，经常有人将逆向工程和非法仿制联系在一起，甚至提出了知识产权保护等法律层面的题目。实际上，逆向工程代表了一种非常高效的产品设计思路和方法。本文从逆向工程设计的概念出发，阐述了现代制造业中逆向工程的概念以及逆向工程在模具制造等行业中的作用。本文对于我们正确熟悉逆向工程技术有一定的意义。


　　一、引言

　　在国外，逆向工程已经作为一种先进的设计方法被引进到新产品的设计开发工作中。我国也有很多企业应用逆向工程技术，对竞争对手的产品进行改进，以避开艰苦的原型设计阶段，这是一种产品的再设计过程。所谓产品再设计，就是通过观察和测试某一种产品，对其进行初始化，然后拆开产品，逐一分析单个零件的组成、功能、装配公差和制造过程。这些工作的目的就是要充分理解产品的制造过程，并以此为基础在子系统和零件层面上，优化设计出一种更好的产品。美国的很多工程学院开设了逆向工程课程，教授学生用再设计代替原型设计，作为解决设计题目的一种方法。近年来，在汽车、电子产品等领域人们越来越多地采用逆向工程技术，来部分替换使用多年的原型设计方法。


　　二、逆向工程的概念

　　逆向工程(Reverse Engineering，RE)是对产品设计过程的一种描述。在工程技术职员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程：设计职员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型，终极将这个模型转进制造流程，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们可以称之为“正向设计”。逆向工程则是一个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程就是根据已经存在的产品模型，反向推生产品的设计数据(包括设计图纸或数字模型)的过程。

　　随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化丈量技术的迅猛发展，基于丈量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字化丈量设备(如坐标丈量机、激光丈量设备等)获取的物体表面的空间数据，需要经过逆向工程技术的处理才能获得产品的数字模型，进而输送到CAM系统完成产品的制造。因此，逆向工程技术可以以为是“将产品样件转化为CAD模型的相关数字化技术和几何模型重建技术”的总称。


　　逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程。从图1中我们可以看出，逆向工程的整个实施过程包括了丈量数据的采集/处理、CAD/CAM系统处理和融进产品数据治理系统的过程。因此，逆向工程是一个多领域、多学科的系统工程，实在施需要职员和技术的高度协同、融合。


　　三、逆向工程在CAD/CAM体系中的应用

　　逆向工程技术并不是孤立的，它和丈量技术、CAD/CAM技术有着千丝万缕的联系。


　　从理论角度分析，逆向工程技术能按照产品的丈量数据建立与现有CAD/CAM系统完全兼容的数字模型，这是逆向工程技术的终极目标。但凭借目前人们所把握的技术，包括工程上的和理论上的(如曲面建模理论)，尚无法满足这种要求。特别是针对目前比较流行的大规模“点云”数据建模，更是远没有达到直接在CAD系统中应用的程度。


　　“点云”数据的采集有两种方法：一种是使用三坐标丈量机对零件表面进行探测，另一种是使用激光扫描仪对零件表面进行扫描。采集到的数据经过CAD/CAM软件处理后，可以获得零件的数字化模型和用于加工的CNC程序。图2所示为使用激光扫描仪丈量的摩托车发动机砂型排气道点云图。

　　在实际工作中，先采用LACUS150B激光扫描仪采集上百万个点数据，形成摩托车发动机砂型排气道外形轮廓，再用Surfacer逆向软件进行由点到面的处理，图3为用Surfacer软件天生的摩托车发动机砂型排气道曲面几何外形。

　　数据采集完成后，用户可利用CAD软件加快逆向工程的处理过程。在理想情况下，CAD软件可用于：


　　  · 以任何格式输进虚拟的几何尺寸数据;

　　  · 处理采集到的点数据，有时甚至需要处理数亿个点数据序列;

　　  · 通过修改和分析，处理产生的轮廓曲面;

　　  · 将几何外形输出到下一级处理过程中;

　　  · 分析几何外形，估算整体外形与样品的差异。


　　最重要的是，软件能够答应用户以三维透视图的方式显示工件，它完整地定义了工件的外形，不再需要多个视角的投影图，设计者可直接对曲面轮廓进行再加工，而加工工人可以利用电子模型加工工件。


　　后处理软件通过以下方式缩短逆向工程的时间：


　　  · 通过平滑连续的曲线网络进步曲面的质量;

　　  · 省往了预备加工文件的时间 ;

　　  · 不需要原型;

　　  · 运用各种分析工具进步产品质量。


　　可见，利用激光扫描仪扫描样品采集点数据，再应用Surfacer软件天生高质量曲面，相比直接在CAD系统中进行曲面造型，能节省数周的开发时间。另外，利用激光扫描仪采集的几何数据能天生符合产业标准格式的文件，如IGES、VDA-FS、ISOG代码、DXF和规定的ASCII、CAD/CAM格式，分析软件包至少能支持其中的一种格式。


　　制造加工刀具并对其进行检验是既耗时又费钱的过程。Surfacer软件能对各种复杂外形的样品进行快速完整的检验，从而使这一关键处理过程流水线化。用户能够参考三维模型精确地调整扫描数据，以便评估样品和所需加工工件之间的差别，并计算相关变量，用彩色图表的形式加以显示，从而为几何尺寸校验作出清楚完整的说明。


　　Surfacer软件的快速原型模块(RPM)能够快速利用数字化数据或利用其他系统的曲面几何外形天生原形，从而缩短了实际原型的数字化周期，新的RPM快速工具大幅度地进步了快速原型技术的水平。因此笔者以为，逆向工程技术与CAD/CAM系统是相辅相成的。现有CAD/CAM系统经过几十年的发展，无论从理论还是实际应用上都已经十分成熟，在这种情况下，现有CAD/CAM系统不会也不能为了满足逆向工程建模的特殊要求从系统底层结构上进行变更。另一方面，逆向工程技术中用到的大量建模方法完全可以鉴戒现有CAD/CAM系统，不需要另外搭建新的平台。图4所示为用Solidworks三维软件天生的摩托车发动机砂型进排气道实体。

　　基于这种分析，我们以为逆向工程技术在整个制造体系链中处于一个从属、辅助建模的地位，它可以利用现有CAD/CAM系统，帮助实在现自身无法完成的工作。有了这种熟悉，我们就可以明白为什么逆向工程技术(包括相应的软件)始终不是市场上的主流，而大多数CAD/CAM系统又均包含了逆向工程模块或第三方软件包这样一种情况。


　　四、逆向工程应用实例

　　图5所示为日本某品牌汽车的泵体。国内某企业为增强企业竞争力，节省开发时间，计划要在原有泵体的设计基础上进行再设计。逆向工程技术在其中起到了举足轻重的作用。


　　在实际工作中，以该泵体为直接复制对象，整个复制过程的主要步骤如下：


　　1、样本零件几何型面原始数据的获取。运用LACUSE150B激光扫描仪直接从模型中以CCD(光电偶合)方式获取点数据。

　　2、对采集到的数据进行必要的过滤与修正，剔除丈量过程中由于各种因素及样本零件表面缺陷而造成的误差，从而获得构建样本零件原始几何模型的数据。

　　3、对所测得的数据进行必要的数学拟合，为进一步造型提供基础数据。

　　4、由于样本泵体的使用时间长，已发生了某些变化，因此在对零件应用功能充分理解的基础上，通过再设计对样本零件的原始数据作必要的修正，并产生一个新的泵体零件几何数字模型。

　　5、利用天生的数字模型进行零件的手板制作。

　　6、对手板零件进行几何外形与应用功能的检验，假如效果不好，根据实际情况，用产业油泥在手板零件的基础上进行手工完善，再利用激光扫描重新获取模型数据。重复步骤3、4的工作。

　　7、进行复制零件模具的加工制造，利用数控机床进行复杂曲面的加工。

　　8、在对模具进行试模后，对泵体零件进行几何外形与应用功能的检验。


　　在整个复制过程中，为了保证复制的精度与正确性，对复制过程中作了以下几个方面的考虑：


　　1、从零件应用的角度，综合考虑样本零件的数据获取与整个再设计过程，以进步复制精度和数据获取与处理的效率。

　　2、综合考虑丈量工艺、制造工艺，这样能有效地控制由制造过程引起的各种误差，进而进步整个复制过程的精确度。

　　3、由于样本零件的复杂性，所以复制零件的检验是整个逆向工程中应引起足够重视的一环，是成功与否的关键。

　　4、充分了解样本零件的工作环境及其功能，才能在复制过程中学习先进的东西，进步与充实自己。


　　图5为用LACUSE150B激光扫描仪扫描之后，利用Surfacer处理点云、提取线、构造曲面之后，借助三维软件SolidWorks及Pro/ENGINEER进行再设计得到的三维模型。图6为泵体模具图。


　　与CAD/CAM系统在我国几十年的应用时间相比，逆向工程技术为企业所接受只有十几年甚至几年的时间。时间虽短，但是逆向工程技术广阔的应用远景和对企业竞争力的巨大推动作用，已经引起了很多企业的关注。


　　五、逆向工程的其他应用领域

　　以上先容的只是逆向工程的一部分应用，占有关资料报道，逆向工程还可用于很多领域。


　　损坏或磨损零件的还原：当零件损坏或磨损时，可以直接采用逆向工程的方法重构出CAD模型，对损坏的零件表面进行还原和修补。由于被测零件表面的磨损，损坏等因素，会造成丈量误差，这就要求逆向工程系统具有推理和判定能力。例如，对称性、标准尺寸、平面间的平行和垂直等特性。最后，加工出零件。


　　数字化模型检测：对加工后的零件，进行扫描丈量，再利用逆向工程法构造出CAD模型，通过将该模型与原始设计的CAD模型在计算机上进行数据比较，可以检测制造误差，进步检测精度。


　　其他应用：在汽/机车、航天、制鞋、模具和消费性电子产品等制造行业，甚至在休闲娱乐行业也可发现逆向工程的痕迹。另外在医学领域逆向工程也有其应用价值，如人工关节模型的建立。


　　六、结束语

　　逆向工程作为一门独立的技术，有较大的随机性。其整体思路是一致的，但实现过程因人而异，因事而异，最后殊途同回。总之，在可预见的未来，逆向工程将在制造加产业中得到更广泛的应用。


　　本文转载自材料科学与工程公众号，原文来源于河南生产力促进中心，朱惠玉，孙忠良。