機械設計制造中逆向工程的研究

李崇新

摘 要：在新的時代背景下，制造業要想將產品競爭力提高，除了需要對行業內的新技術和理念進行有效的消化，還要不斷地實現針對創新。立足于機械業自身發展的這個角度來講，這個挑戰難度非常大，而逆向工程在機械設計中的應用無疑為推動機械設計制造業的發展做出了實質性的貢獻。本文論述了機械設計制造中逆向工程的應用。

關鍵詞：機械設計制造；逆向工程；應用研究

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）03-0042-02

隨著社會的發展，我國經濟發展步伐不斷加快，科技水平也取得了巨大的發展成效。基于這樣的發展背景之下，機械制造行業作為我國非常重要的產業之一，其發展規模也在不斷擴大，其在推進國民經濟發展中發揮著不可替代的作用。傳統的機械設計制造方式不但安全性低且效率不高，已經不能滿足現代制造行業的發展需求。在上述的基礎上，只有不斷提高機械制造產品的科技含量水平，促使機械設計制造實現最大程度的現代化以及自動化，所以，在實際工作中，需要格外的重視逆向工程技術的使用。本文系統介紹了制造業領域當中的逆向工程技術，包括其工作原理以及其在實際中的應用情況，希望能夠為相關的人員提供一定的參考依據。

1 概述

1.1 機械設計制造概述

傳統形式的機械制造業主要是通過人為操作而完成的，過去我們經常可以見到，在一個生產車間、工廠中可要想完成一批產品，需要幾十、幾百甚至幾千個人同時操作才能完成，且在這個生產過程當中，工人需要無時無刻的對機械的運作進行監測和控制，為了就是防止機械故障而造成生產損失。這種勞作方式，需要花費大量的物力、人力和財力，生產時間長、生產效率低，最終所生產出來的產品科技含量和質量都不高，且耗能大，導致很多不必要的資源發生浪費，增加生產成本，難以實現最大化的經濟效益。隨著時代的不斷進步和發展，機械設計制造也必定會與時俱進，從過去傳統的人為操作方式擺脫出來，朝著自動化方向發展，完全取代傳統的人為操作方式，使得生產變得更加安全、快捷以及環保。機械設計制造及其自動化是科技信息發展的產物，是人類進步的象征，在機械設計制造行業中融入逆向工程等先進的科學技術，使得整個生產操作更加靈活、方便，提高產品科技含量，增加了生產安全性，減少人力、物力的投入，使機械設計制造行業得以實現最大的經濟效益，實現可持續發展，穩固在我國國民經濟中的主導地位，繼續在推進我國國民經濟中發揮著主導地位。

1.2 逆向工程技術概述

這種技術即借助先進數據測量手段，通過測量掃描將產品實物信息得到，然后再對逆向工程技術進行利用，準確且快速地將幾何模型建立起來。在分析工程的前提下，在以逆向工程技術為基礎的前提下將產品模具加工出來，最終將產品制成。這種逆向工程技術除了能夠復制已經存在的產品，還能夠基于原有實物模型，進而實現已有產品的進一步深入地研究以及剖析，并且對于那部分已有的科學技術進行不斷的創新，修改并重新進行設計，之后實現已有產品的有效創新。

2 逆向工程工作的原理

逆向工程系統組成有三個部分，模具或產品制造、CAD模型重建以及數字化的產品實物的幾何外形都包括在其中。在機械制造業的領域當中，逆向工程一般從已存在的原型以及零件著手。首先需要做的是，對其實行數字化處理。然后對CAD模型進行構建。當檢查好CAD模型之后，假如滿足相關的要求，那么就可對其加工或者設計。它有兩個階段的應用過程，第一階段即對原型進行復制，或制造同原型相關的模具。它有兩個部分，包括反求制造以及三維重構，快速的成型制造就是其典型的應用。第二個階段有三個部分，包括反求制造和基于原型再設計以及三維重構等部分。其中，基于原型再設計能夠將逆向工程關鍵的創新功能部分體現出來。它能夠通過相關CAE分析手段來分析力學以及美學，并基于此進行創新，將新的產品形成，然后將圖紙輸出，最后再對產品進行制造。

3 逆向工程的幾種關鍵技術

逆向工程主要包括以下幾種關鍵技術：第一，測量數據的預處理技術，第二，數據測量技術；第三，曲面優化技術以及光順品質分析，第四，曲面重構技術。

3.1 測量數據的預處理技術

實際工程中，由于有較為密集的測量數據點。而且難以避免的是，測量產品的外形數據會引入數據壞點和邊界周邊的測量數據以及尖銳邊的測量數據等數據誤差，所以應數據處理測量數據云。數據處理應包括去除噪聲、精簡數據、數據平滑、拼合多視數據、插補數據、區域分割數據等一些內容。由于曲線曲面構造方法沒有相同的光順性和精度要求，再加上有多樣的測量數據組織形式要求和密度要求以及質量要求。因此，可根據需要選擇使用以上幾種數據預處理技術。當前，有幾種逆向工程軟件較為常用，其中Imageware得以最廣泛應用，且有著很強的數據預處理能力。它除了能夠通過數據平滑和空隙縫合、拼合和分割、去燥和精簡等方式處理以百萬來計算的點云，而且誤差檢測能力也較強。與此同時，還能夠將較好的A級曲面構造出來，所以在汽車和航空航天、電子和計算機部件等領域對其進行了廣泛地應用[1]。

3.2 數據測量技術

借助特定的測量方法和測量設備將零件表面離散點幾何的坐標數據得到就是這種技術的重要任務。按照傳感器和測量探頭是否接觸事物，可分為兩類的測量方法。第一類是非接觸式的，聲學測量和光學測量以及磁學測量包括在非接觸式的測量方法當中。第二類是接觸式的，三坐標測量機和機械手包括接觸式的測量方法當中。工業CT法和層切法、投影光柵法和激光掃描測量法都可做測量的手段，一般存儲測量數據的時候，會用到一些通常的格式，包括STEP和STL以及IGS等等，這樣更便于軟件間交互數據[2]。

3.3 曲面優化技術以及光順品質分析

可以說，保障逆向工程曲面質量的即光順品質的優化技術。一般情況下，要根據以下步驟開展光順工作。

（1）加工壞點找出，并對坐標值進行修改；（2）粗略光順，確保各分段曲線保持一致的曲率符號，從而使單調凹凸的曲線得以保障；（3）精細光順，確保均勻的分段曲線曲率變化，使光順曲線的需求得以滿足。檢查曲面和曲線的光順品質有三種方法，包括等值線分析法和光照模型分析法以及曲率分析法等，而曲率分析法是最多使用的一種方法。通過對原始曲面形狀進行調整，能夠優化光順品質，確保更為光滑的曲面[3]。

3.4 曲面重構技術

將能被CAD系統所接收到的曲面模型建立起來，從而處理后續數據，就是逆向工程最重要的目標。當前主要有兩類曲面重構算法，包括四邊域參數曲面重構和三邊域曲面重構的方法。將三角曲面當做理論基礎即三邊域曲面構造方法，這種方式能將一些復雜型面物體表現出來，但是其不能對零件的幾何高層次特征進行反映，而且沒有理想的光順性。相比于三邊域曲面，四邊域參數曲面的基礎是測量數據，這種模型表示方式更精確，NURRBS曲面和B樣條曲面以及Bezier曲面都包括在四邊參數曲面當中。這些矩形曲面都能夠在三維空間映射參數矩形域，尤其是NURBS，由于其有獨特的優勢，當中已經成為通用的對產品幾何形狀進行描述的方法[4]。

4 工程實例

在機械制造領域當中，廣泛地對逆向工程進行了應用。其中包括了測量A級曲面和常規零件以及分析優化力學等等。本文的例子即波輪反求，通過逆向工程技術三維重構實物原型，以下就是具體的步驟[5]。

4.1 采集點云

在數據采集的時候，需要用到OKIO光學非接觸式的照相測量系統。OKIO這種測量系統是在結構光學的基礎上建立的，它結合了相位移動和條紋投影以及光學三角化等原理，針對實物樣件，實現非接觸測量[6]。

4.2 對曲面進行創建以及分析誤差

在曲面重構的時候，可對CATIA軟件進行采用，將其當做曲面造型軟件。而在分析誤差的時候，可對Geomagic Studio軟件進行采用。可在CATIA軟件當中導入重構波輪，然后重構模型，之后再分析所測量數據點存在的誤差。分析可知，一般會在復雜且細小的特征處有較大的誤差，比方說凹槽處和尖角以及倒角等地方。由于在測量的時候沒有辦法全部掃描到，所以在重構的時候會有一定誤差出現，但為了減少誤差，可采取一定的措施[7]。

5 未來的應用前景

總的來講，實施逆向工程需要協同多個學科以及多個領域，它除了能夠在修補機械產品、復制已有的零件，還能夠集成行業分析軟件以及逆向工程，對當前的技術進行利用進行分析和研究。比方說，面對零部件，可進行結構動力學分析；面對機械產品，可實行機構運動分析；面對風扇和汽車，可實行流體動力學分析，從而掌握設計產品的技巧。我們相信在不久的未來，當逆向工程集成了產品制造和概念設計、優化方法和分析時，必然會將一套較為完整的生產體系形成。

6 結語

本文對逆向工程的關鍵技術和工作原理進行了詳細的介紹，包括以下幾個部分：首先是數據預處理技術，其次是數據測量技術等，在使用上述基礎的基礎上將一個曲面重構當作分析的實例，細致地描述了在機械造型過程中逆向工程的應用過程，希望以上論點能夠為相關的研究者提供一定的參考依據。

參考文獻

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