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1、 逆向工程技術(shù)的應(yīng)用 仿制、仿造已經(jīng)成為了我國一部分企業(yè)的固定生產(chǎn)方式，針對市場熱門產(chǎn)品的仿造品屢見不鮮，逆向工程的廣泛應(yīng)用在其中起到了不可忽視的作用。于是，經(jīng)常有人將逆向工程和非法仿制聯(lián)系在一起，甚至提出了知識產(chǎn)權(quán)保護等法律層面的問題。實際上，逆向工程代表了一種非常高效的產(chǎn)品設(shè)計思路和方法。本文從逆向工程設(shè)計的概念出發(fā)，闡述了現(xiàn)代制造業(yè)中逆向工程的概念以及逆向工程在模具制造等行業(yè)中的作用。本文對于我們正確認識逆向工程技術(shù)有一定的意義。 一、引言 在國外，逆向工程已經(jīng)作為一種先進的設(shè)計方法被引入到新產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)工作中。我國也有許多企業(yè)應(yīng)用逆向工程技術(shù)，對競

2、爭對手的產(chǎn)品進行改進，以避開艱苦的原型設(shè)計階段，這是一種產(chǎn)品的再設(shè)計過程。所謂產(chǎn)品再設(shè)計，就是通過觀察和測試某一種產(chǎn)品，對其進行初始化，然后拆開產(chǎn)品，逐一分析單個零件的組成、功能、裝配公差和制造過程。這些工作的目的就是要充分理解產(chǎn)品的制造過程，并以此為基礎(chǔ)在子系統(tǒng)和零件層面上，優(yōu)化設(shè)計出一種更好的產(chǎn)品。美國的許多工程學院開設(shè)了逆向工程課程，教授學生用再設(shè)計代替原型設(shè)計，作為解決設(shè)計問題的一種方法。近年來，在汽車、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域人們越來越多地采用逆向工程技術(shù)，來部分替代使用多年的原型設(shè)計方法。 二、逆向工程的概念 逆向工程（Reverse Engineering，RE）是對產(chǎn)品設(shè)

3、計過程的一種描述。在工程技術(shù)人員的一般概念中，產(chǎn)品設(shè)計過程是一個從無到有的過程：設(shè)計人員首先構(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，最終將這個模型轉(zhuǎn)入制造流程，完成產(chǎn)品的整個設(shè)計制造周期。這樣的產(chǎn)品設(shè)計過程我們可以稱之為“正向設(shè)計”。逆向工程則是一個“從有到無”的過程。簡單地說，逆向工程就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計數(shù)據(jù)（包括設(shè)計圖紙或數(shù)字模型）的過程。 隨著計算機技術(shù)在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是數(shù)字化測量技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于測量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術(shù)成為逆向工程技術(shù)關(guān)注的主要對象。通過數(shù)字化測量設(shè)備（如坐標測量機、激光測量設(shè)備等

4、）獲取的物體表面的空間數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過逆向工程技術(shù)的處理才能獲得產(chǎn)品的數(shù)字模型，進而輸送到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。 逆向工程的實施過程是多領(lǐng)域、多學科的協(xié)同過程。從圖1中我們可以看出，逆向工程的整個實施過程包括了測量數(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)的過程。因此，逆向工程是一個多領(lǐng)域、多學科的系統(tǒng)工程，其實施需要人員和技術(shù)的高度協(xié)同、融合。 三、逆向工程在CAD/CAM體系中的應(yīng)用 逆向工程技術(shù)并不是孤立的，它和測量技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)有著

5、千絲萬縷的聯(lián)系。 從理論角度分析，逆向工程技術(shù)能按照產(chǎn)品的測量數(shù)據(jù)建立與現(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。但憑借目前人們所掌握的技術(shù)，包括工程上的和理論上的（如曲面建模理論），尚無法滿足這種要求。特別是針對目前比較流行的大規(guī)?！包c云”數(shù)據(jù)建模，更是遠沒有達到直接在CAD系統(tǒng)中應(yīng)用的程度。 “點云”數(shù)據(jù)的采集有兩種方法：一種是使用三坐標測量機對零件表面進行探測，另一種是使用激光掃描儀對零件表面進行掃描。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過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所示為使用激光掃描儀測量的摩托車發(fā)動機砂型排氣道點

6、云圖。 在實際工作中，先采用LACUS150B激光掃描儀采集上百萬個點數(shù)據(jù)，形成摩托車發(fā)動機砂型排氣道外形輪廓，再用Surfacer逆向軟件進行由點到面的處理，圖3為用Surfacer軟件生成的摩托車發(fā)動機砂型排氣道曲面幾何形狀。 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程。在理想情況下，CAD軟件可用于： ■ 以任何格式輸入虛擬的幾何尺寸數(shù)據(jù)； ■ 處理采集到的點數(shù)據(jù)，有時甚至需要處理數(shù)億個點數(shù)據(jù)序列； ■ 通過修改和分析，處理產(chǎn)生的輪廓曲面； ■ 將幾何形狀輸出到下一級處理過程中； ■ 分析幾何形狀，估算整體形狀與樣品

7、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狀，不再需要多個視角的投影圖，設(shè)計者可直接對曲面輪廓進行再加工，而加工工人可以利用電子模型加工工件。 后處理軟件通過以下方式縮短逆向工程的時間： ■ 通過平滑連續(xù)的曲線網(wǎng)絡(luò)提高曲面的質(zhì)量； ■ 省去了準備加工文件的時間 ■ 不需要原型； ■ 運用各種分析工具提高產(chǎn)品質(zhì)量。 可見，利用激光掃描儀掃描樣品采集點數(shù)據(jù)，再應(yīng)用Surfacer軟件生成高質(zhì)量曲面，相比直接在CAD系統(tǒng)中進行曲面造型，能節(jié)省數(shù)周的開發(fā)時間。另外，利用激光掃描儀采集的幾何數(shù)據(jù)能生成符

8、合工業(yè)標準格式的文件，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。 制造加工刀具并對其進行檢驗是既耗時又費錢的過程。Surfacer軟件能對各種復(fù)雜形狀的樣品進行快速完整的檢驗，從而使這一關(guān)鍵處理過程流水線化。用戶能夠參考三維模型精確地調(diào)整掃描數(shù)據(jù)，以便評估樣品和所需加工工件之間的差別，并計算相關(guān)變量，用彩色圖表的形式加以顯示，從而為幾何尺寸校驗作出清晰完整的說明。 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)的曲面幾何形狀生成原形，從而縮短了實際原型的數(shù)字化周期，

9、新的RPM快速工具大幅度地提高了快速原型技術(shù)的水平。因此筆者認為，逆向工程技術(shù)與CAD/CAM系統(tǒng)是相輔相成的?，F(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無論從理論還是實際應(yīng)用上都已經(jīng)十分成熟，在這種情況下，現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)不會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)，不需要另外搭建新的平臺。圖4所示為用Solidworks三維軟件生成的摩托車發(fā)動機砂型進排氣道實體。 基于這種分析，我們認為逆向工程技術(shù)在整個制造體系鏈中處于一個從屬、輔助建模的地位，它可以利用現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)，幫

10、助其實現(xiàn)自身無法完成的工作。有了這種認識，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情況。 四、逆向工程應(yīng)用實例 圖5所示為日本某品牌汽車的泵體。國內(nèi)某企業(yè)為增強企業(yè)競爭力，節(jié)省開發(fā)時間，計劃要在原有泵體的設(shè)計基礎(chǔ)上進行再設(shè)計。逆向工程技術(shù)在其中起到了舉足輕重的作用。 在實際工作中，以該泵體為直接復(fù)制對象，整個復(fù)制過程的主要步驟如下： （１）樣本零件幾何型面原始數(shù)據(jù)的獲取。運用LACUSE150B激光掃描儀直接從模型中以CCD(光電偶合)方式獲取點數(shù)據(jù)。（２）對采

11、集到的數(shù)據(jù)進行必要的過濾與修正，剔除測量過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）對所測得的數(shù)據(jù)進行必要的數(shù)學擬合，為進一步造型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。（4）由于樣本泵體的使用時間長，已發(fā)生了某些變化，因此在對零件應(yīng)用功能充分理解的基礎(chǔ)上，通過再設(shè)計對樣本零件的原始數(shù)據(jù)作必要的修正，并產(chǎn)生一個新的泵體零件幾何數(shù)字模型。（5）利用生成的數(shù)字模型進行零件的手板制作。（6）對手板零件進行幾何形狀與應(yīng)用功能的檢驗，如果效果不好，根據(jù)實際情況，用工業(yè)油泥在手板零件的基礎(chǔ)上進行手工完善，再利用激光掃描重新獲取模型數(shù)據(jù)。重復(fù)步驟（3）、（4）的工作。（7）進行復(fù)制

12、零件模具的加工制造，利用數(shù)控機床進行復(fù)雜曲面的加工。（8）在對模具進行試模后，對泵體零件進行幾何形狀與應(yīng)用功能的檢驗。 在整個復(fù)制過程中，為了保證復(fù)制的精度與準確性，對復(fù)制過程中作了以下幾個方面的考慮：（１）從零件應(yīng)用的角度，綜合考慮樣本零件的數(shù)據(jù)獲取與整個再設(shè)計過程，以提高復(fù)制精度和數(shù)據(jù)獲取與處理的效率。（２）綜合考慮測量工藝、制造工藝，這樣能有效地控制由制造過程引起的各種誤差，進而提高整個復(fù)制過程的精確度。（３）由于樣本零件的復(fù)雜性，所以復(fù)制零件的檢驗是整個逆向工程中應(yīng)引起足夠重視的一環(huán)，是成功與否的關(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)制過程中學習先進的東西，提

13、高與充實自己。 圖5為用LACUSE150B激光掃描儀掃描之后，利用Surfacer處理點云、提取線、構(gòu)造曲面之后，借助三維軟件SolidWorks及Pro/ENGINEER進行再設(shè)計得到的三維模型。圖6為泵體模具圖。 與CAD/CAM系統(tǒng)在我國幾十年的應(yīng)用時間相比，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間。時間雖短，但是逆向工程技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景和對企業(yè)競爭力的巨大推動作用，已經(jīng)引起了很多企業(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：當零件損壞或磨

14、損時，可以直接采用逆向工程的方法重構(gòu)出CAD模型，對損壞的零件表面進行還原和修補。由于被測零件表面的磨損，損壞等因素，會造成測量誤差，這就要求逆向工程系統(tǒng)具有推理和判斷能力。例如，對稱性、標準尺寸、平面間的平行和垂直等特性。最后，加工出零件。 數(shù)字化模型檢測：對加工后的零件，進行掃描測量，再利用逆向工程法構(gòu)造出CAD模型，通過將該模型與原始設(shè)計的CAD模型在計算機上進行數(shù)據(jù)比較，可以檢測制造誤差，提高檢測精度。 其他應(yīng)用：在汽/機車、航天、制鞋、模具和消費性電子產(chǎn)品等制造行業(yè)，甚至在休閑娛樂行業(yè)也可發(fā)現(xiàn)逆向工程的痕跡。另外在醫(yī)學領(lǐng)域逆向工程也有其應(yīng)用價值，如人工關(guān)節(jié)模型的建立。 六、結(jié)束語 逆向工程作為一門獨立的技術(shù)，有較大的隨機性。其整體思路是一致的，但實現(xiàn)過程因人而異，因事而異，最后殊途同歸?？傊?，在可預(yù)見的未來，逆向工程將在制造加工業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用。