逆向工程技術與應用

劉衛(wèi)東

[摘要]在現(xiàn)代制造業(yè)中，產品的生產周期、設計與加工技術的先進性是衡量制造企業(yè)甚至國家制造業(yè)水平的重要指標。逆向工程技術以其具有的特點優(yōu)越于傳統(tǒng)設計，從產品實物幾何外形的數(shù)字化、CAD模型重建、產品或模具制造，完成產品或零件原型的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型的重建。逆向工程技術能以快速、高效和精確的優(yōu)勢改變企業(yè)傳統(tǒng)的設計生產模式，滿足現(xiàn)代企業(yè)產品個性化設計和快速制造發(fā)展要求?？朔嫦蚬こ碳夹g存在的瓶頸問題，必將推動整個制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

[關鍵詞]逆向工程技術 快速制造 二次設計

1逆向工程技術概述

逆向工程（簡稱RE）也稱反求工程或反向工程，是根據(jù)已存在的產品或零件原型構造產品或零件的工程設計模型，應用產品設計方法學、系統(tǒng)工程學、計算機輔助技術方法進行系統(tǒng)分析和研究，探索掌握其關鍵技術，進而開發(fā)出同類產品或此基礎上對已有的產品進行剖析和改進，開發(fā)出更先進的產品的技術。逆向工程技術是針對吸收消化先進技術采取的一系列分析方法和應用技術的綜合。與傳統(tǒng)的正向產品設計方法不同，逆向工程技術是一種逆向思維的工作方式，它是根據(jù)已經存在的實物產品或零件原形來構建產品的工程設計模型或原型模型，并在此基礎上對已有產品進行解剖、深化和再創(chuàng)造，是對已有設計的再設計。

目前，逆向工程已經成為新產品開發(fā)和消化吸收先進技術的重要手段之一，有利于設計人員快速消化、吸收原產品的優(yōu)點，并在原產品的基礎上進行各種創(chuàng)新設計。

任何一項新技術、新產品，應該受到有關法律的保護。逆向工程不等于偷技術，需要在科技道德和法律制約下，從學術、工程、技術方面來促進科技的發(fā)展。這是因為：

①任何產品的設計、開發(fā)，總要借鑒、繼承已有的知識和技術，市場上的產品總要被別人借鑒，關鍵要劃清產權的界限。

②青出于藍而勝于藍是發(fā)展規(guī)律，通過反求來發(fā)展新產品，起點高，周期短，成效快，決非照抄照搬。

③科學的反求，有助于促進技術革新，開擴眼界，有助于盡快培養(yǎng)新人。

需要說明的是，逆向工程僅僅是產品和技術發(fā)展的一個方面和方法，發(fā)展科技和振興經濟，鼓勵獨立開發(fā)和創(chuàng)新才是產品和技術發(fā)展的主題。

2逆向工程技術的具體內容

2.1逆向工程技術的研究對象

逆向工程是將數(shù)據(jù)采集設備獲取的實物樣件表面或表面及內腔數(shù)據(jù)，輸入專門的數(shù)據(jù)處理軟件或帶有數(shù)據(jù)處理能力的三維CAD軟件進行處理和三維重構，在計算機上復現(xiàn)實物樣件的幾何形狀，并在此基礎上進行原樣復制、修改或重設計，該方法主要用于對難以精確表達的曲面形狀或未知設計方法的構件形狀進行三維重構和再設計。逆向工程技術的研究對象多種多樣，所包含的內容也比較多，主要可以分為以下幾類：

實物類：主要是指先進產品設備的實物本身;

軟件類：包括先進產品設備的圖樣，程序，技術文件等;

影像類：包括先進產品設備的圖片，照片或以影像形式出現(xiàn)的資料。

2.2逆向工程技術的研究內容

（1）探索原產品設計的指導思想掌握原產品設計的指導思想是分析了解整個產品設計的前提，如微型汽車的消費群體是普通百姓，其設計的指導思想是在滿足一般功能的前提下，盡可能降低成本，所以結構上通常是較簡化的。

（2）探索原產品原理方案的設計各種產品都是按定的使用要求設計的，而滿足同樣要求的產品，可能有多種不同的形式，所以產品的功能目標是產品設計的核心問題。產品的功能概括而論是能量，物料信號的轉換。探索原產品原理方案的設計，可以了解功能目標的確定原則，這對產品的改進設計有極大幫助。

（3）研究產品的結構設計產品中零部件的具體結構是實現(xiàn)產品功能目標的保證，對產品的性能、工作能力、經濟性、壽命和可靠性有著密切關系。

（4）確定產品的零部件形體尺寸分解產品實物，由外至內，由部件至零件，通過測繪與計算確定零部件形體尺寸，并用圖樣及技術文件方式表達出來。它是反求設計中工作量很大的一部分工作，為更好地進行形體尺寸的分析與測繪，應總結箱體類、軸類、盤套類、齒輪、彈簧、曲線曲面及其他特殊形體的測量方法，并合理標注尺寸。

（5）確定產品中零件的精度確定零件的精度（即公差設計），是反求設計中的難點之一。通過測量，只能得到零件的加工尺寸，而不能獲得幾何精度的分配。精度是衡量反求對象性能的重要指標，是評價反求設計產品質量的主要技術參數(shù)之一?？茖W合理地進行精度分配，對提高產品的裝配精度和力學性能至關重要。

（6）確定產品中零件的材料通過零件的外觀比較、重量測量、力學性能測定、化學分析、光譜分析、金相分析等試驗方法，對材料的物理性能、化學成分、熱處理等情況進行全面鑒定，在此基礎上，遵循立足國內的方針，考慮資源及成本，選擇合用的國產材料，或參照同類產品的材料牌號，選擇滿足力學性能及化學性能的國有材料代用。

（7）確定產品的工作性能針對產品的工作特點、機器主要性能進行試驗測定、反計算和深入地分析，了解產品的設計準則和設計規(guī)范，并提出改進措施。

（8）確定產品的造型對產品的外形構型，色彩設計等進行分析，從美學原則、顧客需求心理、商品價值等角度進行構型設計和色彩設計。

（9）確定產品的維護與管理分析產品的維護和管理方式，了解重要零部件及易損零部件，有助于維修及設計的改進和創(chuàng)新。

3逆向工程技術的工作階段劃分

零件原形的數(shù)字化。通常采用三坐標測量機（簡稱CMM）或激光掃描儀等測量裝置來獲取零件原形表面點的三維坐標值。

從測量數(shù)據(jù)中提取零件原形的幾何特征。按測量數(shù)據(jù)的幾何屬性對其進行分割，采用幾何特征匹配與識別的方法來獲取零件原形所具有的設計與加工特征。

零件原形CAD模型的重建。將分割后的三維數(shù)據(jù)在CAD系統(tǒng)中分別做表面模型的擬合，并通過各表面片的求交與拼接獲取零件原形表面的CAD模型。

重建CAD模型的檢驗與修正。根據(jù)獲得的CAD模型重新測量和加工出樣品，檢驗重建的CAD模型是否滿足精度或其他試驗性能指標的要求，對不滿足要求者重復以上過程，直至達到零件的逆向工程設計要求。

4逆向工程技術的應用領域

以往，制模過程繁瑣，周期長，成本高。比如：熔模鑄造，熔模鑄造又稱失蠟鑄造，我國的失蠟法起源于春秋時期，歷史悠久。失蠟鑄造是用蠟制作所要鑄成零件的蠟模，然后蠟模上涂以泥漿，這就是泥模。泥模晾干后，放入熱水中將內部蠟模熔化。將熔化完蠟模的泥模取出再焙燒成陶模。一經焙燒。一般制泥模時就留下了澆注口，再從澆注口灌入金屬熔液，冷卻后，所需的金屬零件就制成了。在過去一個世紀里，這個工藝流程經過許多革新，但是制作復雜零部件的所需的工模具還是非常耗時和緩慢的。制作時間得以月計算，費用也可能達到數(shù)十萬美元。雖然失蠟法（熔模鑄造）飽含老祖宗的智慧，但是在技術不斷革新的現(xiàn)代，逆向工程技術取代傳統(tǒng)技術，熔模鑄造企業(yè)被淘汰終將是時間問題。

逆向工程技術將在以下領域得到廣泛應用：

（1）在沒有設計圖紙或者設計圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，在對零件原形進行測量的基礎上形成零件的設計圖紙或CAD模型，并以此為依據(jù)利用快速成形技術復制出相同的零件原形。

（2）當設計需要通過實驗測試才能定型的工件模型時，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空領域，為了滿足產品對空氣動力學等要求，首先要求在初始設計模型的基礎上經過各種性能測試（如風洞實驗等）建立符合要求的產品模型，這類零件一般具有復雜的自由曲面外形，最終的實驗模型將成為設計這類零件及反求其模具的依據(jù)。

（3）在美學設計特別重要的領域，例如汽車外形設計廣泛采用真實比例的木制或泥塑模型來評估設計的美學效果，而不采用在計算機屏幕上顯示物體視圖的方法，此時需用逆向工程的設計方法。

（4）修復破損的藝術品或缺乏供應的損壞零件等，此時不需要對整個零件原形進行復制，而是借助逆向工程技術抽取零件原形的設計思想，指導新的設計。這是由實物逆向推理出設計思想的一種漸近過程。

5逆向工程技術有待解決的問題

目前，國內有關逆向工程的研究主要集中在幾何形狀的逆向，即重建產品實物的CAD，稱為“實物逆向工程”。盡管經過多年的發(fā)展，逆向工程研究領域取得了一些研究成果，但在應用方面、理論方面仍然很不成熟，還有若干問題有待于解決：

（1）缺乏對逆向工程工具的廣泛使用。逆向工程工具缺乏與其它開發(fā)工具的有效集成，影響到使用的普及，導致逆向工程技術發(fā)展上的困難。

（2）缺乏統(tǒng)一的逆向工程的概念、標準術語。導致了研究人員在交流上的困難，不利于工具的研制，也不利于逆向工程技術的應用。

（3）缺乏統(tǒng)一的逆向工程機制的分類框架。導致不同工具或技術比較功能和性能時的困難。

（4）缺乏對現(xiàn)有工具和理論進行有效評估的標準及工具。盡管出現(xiàn)了一些評估技術及其應用，還是缺乏統(tǒng)一的評估標準，缺乏有效的驗證工具的支持，無法確定逆向工程技術是否得到提高，導致逆向工程工具發(fā)展上的困難。

6結論

逆向工程技術已經在各個設計與制造領域得到了廣泛應用，但在技術設備和理論等方面還需進一步解決應用中存在的問題。只有在實踐中不斷地考慮到產品的更新?lián)Q代問題，逐步加大對逆向工程技術的研究力度，使逆向工程技術朝著高效率、高精度、多功能的方向發(fā)展。