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逆向工程技术与应用

作者:未知

  [摘要]在现代制造业中,产品的生产周期、设计与加工技术的先进性是衡量制造企业甚至国家制造业水平的重要指标。逆向工程技术以其具有的特点优越于传统设计,从产品实物几何外形的数字化、CAD模型重建、产品或模具制造,完成产品或零件原型的数据采集、数据处理和模型的重建。逆向工程技术能以快速、高效和精确的优势改变企业传统的设计生产模式,满足现代企业产品个性化设计和快速制造发展要求。克服逆向工程技术存在的瓶颈问题,必将推动整个制造业的创新发展。
  [关键词]逆向工程技术 快速制造 二次设计
  1逆向工程技术概述
  逆向工程(简称RE)也称反求工程或反向工程,是根据已存在的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型,应用产品设计方法学、系统工程学、计算机辅助技术方法进行系统分析和研究,探索掌握其关键技术,进而开发出同类产品或此基础上对已有的产品进行剖析和改进,开发出更先进的产品的技术。逆向工程技术是针对吸收消化先进技术采取的一系列分析方法和应用技术的综合。与传统的正向产品设计方法不同,逆向工程技术是一种逆向思维的工作方式,它是根据已经存在的实物产品或零件原形来构建产品的工程设计模型或原型模型,并在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造,是对已有设计的再设计。
  目前,逆向工程已经成为新产品开发和消化吸收先进技术的重要手段之一,有利于设计人员快速消化、吸收原产品的优点,并在原产品的基础上进行各种创新设计。
  任何一项新技术、新产品,应该受到有关法律的保护。逆向工程不等于偷技术,需要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,开扩眼界,有助于尽快培养新人。
  需要说明的是,逆向工程仅仅是产品和技术发展的一个方面和方法,发展科技和振兴经济,鼓励独立开发和创新才是产品和技术发展的主题。
  2逆向工程技术的具体内容
  2.1逆向工程技术的研究对象
  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、修改或重设计,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。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,主要可以分为以下几类:
  实物类:主要是指先进产品设备的实物本身;
  软件类:包括先进产品设备的图样,程序,技术文件等;
  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。
  2.2逆向工程技术的研究内容
  (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。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的保证,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,通過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、曲线曲面及其他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、机器主要性能进行试验测定、反计算和深入地分析,了解产品的设计准则和设计规范,并提出改进措施。
  (8)确定产品的造型对产品的外形构型,色彩设计等进行分析,从美学原则、顾客需求心理、商品价值等角度进行构型设计和色彩设计。
  (9)确定产品的维护与管理分析产品的维护和管理方式,了解重要零部件及易损零部件,有助于维修及设计的改进和创新。
  3逆向工程技术的工作阶段划分
  零件原形的数字化。通常采用三坐标测量机(简称CMM)或激光扫描仪等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。
  从测量数据中提取零件原形的几何特征。按测量数据的几何属性对其进行分割,采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。
  零件原形CAD模型的重建。将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合,并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型。   重建CAD模型的检验与修正。根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品,检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求,对不满足要求者重复以上过程,直至达到零件的逆向工程设计要求。
  4逆向工程技术的应用领域
  以往,制模过程繁琐,周期长,成本高。比如:熔模铸造,熔模铸造又称失蜡铸造,我国的失蜡法起源于春秋时期,历史悠久。失蜡铸造是用蜡制作所要铸成零件的蜡模,然后蜡模上涂以泥浆,这就是泥模。泥模晾干后,放入热水中将内部蜡模熔化。将熔化完蜡模的泥模取出再焙烧成陶模。一经焙烧。一般制泥模时就留下了浇注口,再从浇注口灌入金属熔液,冷却后,所需的金属零件就制成了。在过去一个世纪里,这个工艺流程经过许多革新,但是制作复杂零部件的所需的工模具还是非常耗时和缓慢的。制作时间得以月计算,费用也可能达到数十万美元。虽然失蜡法(熔模铸造)饱含老祖宗的智慧,但是在技术不断革新的现代,逆向工程技术取代传统技术,熔模铸造企业被淘汰终将是时间问题。
  逆向工程技术将在以下领域得到广泛应用:
  (1)在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下,在对零件原形进行测量的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型,并以此为依据利用快速成形技术复制出相同的零件原形。
  (2)当设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时,通常采用逆向工程的方法。比如航天航空领域,为了满足产品对空气动力学等要求,首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试(如风洞实验等)建立符合要求的产品模型,这类零件一般具有复杂的自由曲面外形,最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。
  (3)在美学设计特别重要的领域,例如汽车外形设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果,而不采用在计算机屏幕上显示物体视图的方法,此时需用逆向工程的设计方法。
  (4)修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等,此时不需要对整个零件原形进行复制,而是借助逆向工程技术抽取零件原形的设计思想,指导新的设计。这是由实物逆向推理出设计思想的一种渐近过程。
  5逆向工程技术有待解决的问题
  目前,国内有关逆向工程的研究主要集中在几何形状的逆向,即重建产品实物的CAD,称为“实物逆向工程”。尽管经过多年的发展,逆向工程研究领域取得了一些研究成果,但在应用方面、理论方面仍然很不成熟,还有若干问题有待于解决:
  (1)缺乏对逆向工程工具的广泛使用。逆向工程工具缺乏与其它开发工具的有效集成,影响到使用的普及,导致逆向工程技术发展上的困难。
  (2)缺乏统一的逆向工程的概念、标准术语。导致了研究人员在交流上的困难,不利于工具的研制,也不利于逆向工程技术的应用。
  (3)缺乏统一的逆向工程机制的分类框架。导致不同工具或技術比较功能和性能时的困难。
  (4)缺乏对现有工具和理论进行有效评估的标准及工具。尽管出现了一些评估技术及其应用,还是缺乏统一的评估标准,缺乏有效的验证工具的支持,无法确定逆向工程技术是否得到提高,导致逆向工程工具发展上的困难。
  6结论
  逆向工程技术已经在各个设计与制造领域得到了广泛应用,但在技术设备和理论等方面还需进一步解决应用中存在的问题。只有在实践中不断地考虑到产品的更新换代问题,逐步加大对逆向工程技术的研究力度,使逆向工程技术朝着高效率、高精度、多功能的方向发展。
论文来源:《商情》 2019年25期
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