以逆向工程技術為基礎的工業產品數字化設計和制造

關金華

摘要：現階段在數字化背景下，現代化工業水平迅猛發展，工業化產品日新月異，伴隨工業產品被大量需要，工業產品的設計趨向于信息化手段與數字化水平。工業產品的設計與制造均以整個制造過程作為研究主線。現代化的工業制造手段是工業產品設計制造的根本，之后始于數字化技術設計與工程化架構，以及創建立體的三維的設計平臺與制作平臺。

關鍵詞：逆向工程;數字化設計;工業制造;工業產品

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A

數字化時代已經來臨，工業產品生產制造改革勢在必行，產業結構調整趨于必然。由此衍生出的職業教育極具特殊性。當一個地區、一個國家的區域經濟想要高質量發展，并帶動整個地區與國家經濟發展，就需要根據市場需求調整企業架構、產品架構，從而影響整個區域的職業教育結構。工業結構的改變在一定程度上影響了國民經濟的結構，對國民經濟發展起到促進作用。以發展的眼光來看，工業產品在設計階段和制造階段充分利用數字化技術能夠幫助企業迅速發展。本研究將逆向工程工業技術作為研究基礎，充分研究并分析數字化背景下的工業產品制造與設計體系，以期助力工業經濟的發展。

1 剖析工業生產設計現狀

從整個工業生產行業來看，機械制造已經成為工業生產的主力軍，截至目前，已然成為工業生產的根本與領航，政策方面也享受國家的優惠與利好。由于科技與互聯網的迅猛發展，全行業的工業產品正在以日新月異的速度更新，伴隨國民經濟水平的提高，各類工業產品需求缺口也在逐漸擴大。那么，想要改變這一現狀，使得工業產品的產業結構與質量得到增強，就需要將諸多力量置于機械工業和制造產業的發展。這種工業結構的調整帶動了工業行業中建筑產業與家電產業的發展，為這兩種產業注入新鮮活力。早在“十五”期間，國家就大力搞活制造產業，提供多項政策支持與技術支持，促使其行業發展迅速轉型與調整。隨著我國工業發展步伐的不斷加快，機械制造產業也在調整發展步調，與工業發展步調協調一致。截至2019年1月，國家工業產值同比增長16%，使得我國的機械生產在國際上也名列前茅。現階段，正是機械制造業發展的蓬勃時期，機械制造水平的提高將會進一步促進我國經濟的發展，新的機械制造技術引起了眾多研究學者的關注[1]。研究學者們緊跟時代趨勢，及時關注國內外機械制造技術的發展動向，并借助先進的信息技術，如CAD一體化技術，不斷更新機械制造方法，使得機械產品變得更加智能。我國的制造業發展迅猛，目前已經不再是僅僅停留在重視機械制造產品的數量，更加注重的是產品的質量。機械制造與計算機的結合，使得產品變得更加集成化、小型化和數字化，利用自動化技術、仿真技術、計算機網絡和先進的集成技術等，機械制造產品將會更加微型化與智能化，更加符合人們和市場的需求。

2 逆向工程概念介紹

傳統的科研設計人員通常通過理論計算、外觀設計及模型設計等步驟實現產品或模型的制造，但在整個工業領域，很多時候無法事先得到產品的精細數據，科研人員往往需要根據產品實物或模型本身來計算其三維模型，這就產生了逆向工程。逆向工程是指根據現有實物通過一系列測量和計算方法進行反向數據推算，根據現有零件或產品建立數字化三維模型，并通過反復修改與檢查，建立該實物的三維模型，繪制該產品的圖紙，最終實現產品的制造[2]。

逆向工程技術的主要操作對象為樣品實物或數據，科研人員需要根據樣品實物與內部數據實現三維模型的重建，利用專門的三維模型建立工具，如CAD等軟件，使用三維建模軟件進行數據處理和三維重構，生成物體的幾何形狀或者產品圖樣的程序等[3]。逆向工程技術在實現較為復雜和難以精確表達形狀、使用未知方法構建的樣品等場合技術優勢明顯，最后在計算機端生成同樣類型和大小的器件。逆向技術經過近些年來的發展，其研究對象已經從原來的實物樣品研究發展到包含軟件類、影像類產品或資料的重建。

逆向工程的研究內容主要包含以下幾個方面：

（1）首先進行原產品設計的指導思想的探索，了解指導思想的同時才能夠準確進行產品設計，不同產品和樣品有不同的指導思想，在探究其指導思想時要滿足消費者的需求，盡可能貼合消費者的要求。

（2）了解原產品實現的方案，每種產品的實現都是按照一定的技術要求，確定實現方案，完成產品設計的核心便是探究其研究方案。探索原產品原理方案的設計，可以進一步了解功能目標的確定原則，對產品的改進設計有極大幫助。

（3）探索產品的結構設計，只有弄清楚產品中零部件的實現方案，才能夠保證整個樣品的實現，零件的具體結構是實現產品功能目標的保證。

（4）測量產品的零部件尺寸，根據零件形狀選用合適的測量方法完成樣品的尺寸測量，并用圖樣及技術文件方式表達出來。

（5）選擇合適的精度評價指標，實現產品的精度要求，這是逆向工程的難點之一。通過測量，只能得到零件的外形尺寸，而不能獲得幾何精度的分配，科學合理地進行精度分配，才能提高產品的裝配精度和力學性能。

（6）確定產品中零件的材料，通過一系列測量、光譜分析等試驗方法，對材料的物理性能、化學成分、熱處理等情況進行全面鑒定，確定合適的生產材料。

（7）測試產品的工作性能，根據樣品需求進行試驗測定和反復計算，了解產品的設計準則和設計規范，并提出改進措施。

3 逆向工程的實現

逆向工程是利用現代數字化技術和信息技術根據實物實現產品至三維模型的反向計算，該技術無論是在工業領域還是醫用、軍用等其他領域都具有重要地位。實現逆向工程主要包含以下3個方面。

3.1 數據測量與獲取

實現逆向工程技術的基礎是數據的獲取，數據是實現產品復制和重現的基礎也是極為重要的一部分，沒有精準的數據測量無法還原出產品的基本特征。現階段的數據獲取方法主要分為接觸式與非接觸式兩種。

接觸式數據獲取方法使用時間較久，是相對傳統的一種數據獲取方法，該方法利用測量工具去實際接觸測量待測實物或產品的三維坐標等信息[4]。首先，該方法能夠快速得到零件的基本形狀信息，但是需要科研人員及其規范的操作，不正確的使用測量工具會帶來較大的誤差;其次，該方法可能由于器件的角度和測量工具角度的差異，帶來一定程度的誤差，該方法較為耗時，可能會影響任務進度，現在已經逐漸發展為基于電子系統的接觸式測量。

非接觸式數據獲取方法是較為先進也比較省時省力的方法，典型的非接觸式方法主要有投影法、掃描法等。該方法對探頭的質量要求較高，能夠在短時間內探測到零件的豐富信息，節省人力物力，但是該方法容易受表面反射的影響，測量精度是相對較低的，在難接觸到物體表面時，可以使用此方法。不同的測量方法對應不同的工業需要，在實際產品實現中，應該根據需求對比選擇合適的測量方法。

在數據得到后，不能直接用于計算，原因是測量數據可能受噪聲等外界影響，需要進一步的數據處理。例如，使用數據平滑技術去除噪聲，進行數據的標定等。由于測量設備在測量時很難保持同一角度，不同形狀的零件也會獲得不同角度的數據信息，因此，數據處理技術還包括數據定位技術，實現不同數據的定位。最后還要根據測量數據進行判斷，選擇相應的評價指標計算獲取數據的準確性。

3.2 三維模型建立

在獲取完數據之后，根據數據與外形信息，利用信息化軟件實現模型的三維顯示，常用的三維建模軟件有CAD和CAM。很多研究者會把逆向工程技術與CAD方法混淆，但實際上二者并不是完全一樣的，逆向工程技術可以利用CAD模型實現器件的三維建模，也可以利用其他軟件實現模型的建立，如CATIA等。在實際選擇時，應該根據需求，選擇合適的建模軟件，利用好開源庫，實現模型的高效建立。模型的重建是逆向工程的關鍵，現階段越來越多的新技術能夠幫助工業產品實現更好的重建。重建模型后，還要根據實物實現模型的修正，測試其精度是否滿足工業要求，對不滿足的模型應該反復修改，直至完成工業產品的精度要求。

4 逆向工程的應用

目前逆向工程的使用可能是因為設計文件的丟失、樣品的重新設計等，例如，在木制品、船舶行業等，通過雕刻機或機床實現產品的復制。目前由于數字化技術的發展，基于三維建模、CAD模型的逆向工程方法已經逐漸代替傳統機床方法。

4.1 零件的復制

現在逆向工程技術在工業設計領域應用廣泛，主要應用于產品的仿真或改型、破損零件的重現等。逆向工程技術不但能夠對現有零件進行技術實現的還原，還能夠在產品或零件需要更新或新型號研制時起到極其關鍵的作用。由于工業產品都是不斷被消耗的，長年累月使用的零件產品經常會出現損壞，逆向工程能夠幫助零件進行修復，是零件修復或者再次開發的技術保障。

4.2 工業檢測

逆向工程還能對產品或零件進行誤差檢測，根據實際產品與三維模型數據之間的誤差，實現產品的檢測與分析。通過該技術，能夠實現產品的自動化精準測量。

4.3 零件備用

逆向工程技術能夠根據實物生產出相同規格的產品，這項技術已經被眾多航空公司用于制造備用零件。該技術能夠利用現有少數零件生成精確數據，科研人員可以利用三維數據生成類似規格的產品用于飛機制造、船舶零件制造等。

5 結語

逆向工程技術毫無疑問為工業產品的制造帶來巨大作用，該項技術能夠在僅有零件實物時反向推算出模型數據，通過一定的數據獲取手段，采用先進的數據處理方法，使用三維模型軟件設計出待測實物的三維模型，實現產品到數據的計算，數據可以反復利用，從而生成不同類型不同規格的相似產品。在整個工業領域應用價值極高，并且利用自動化和信息化技術，促進了機械制造業的發展，使得機械產品的制造變得更加智能。工業產品也因為逆向工程技術變得更加集成化、小型化和數字化。逆向工程技術的出現，使得工業設計人員能夠快速滿足用戶的需求。未來，逆向工程技術一定會繼續發展，更好地為工業設計產品服務，逆向工程技術為我國工業制造領域帶來了全新的發展機遇，但該技術仍然應該結合具體應用解決現階段存在的問題，向更高效更智能的方向發展。

參考文獻

[1] 高志華，劉旸，潘春生，等.基于逆向工程的工業產品數字化設計與數控加工應用研究[J].新技術新工藝，2019（6）：33-36.

[2] 楊明霞.逆向工程造型關鍵技術解析[J].南方農機，2019，50（16）：242-243.

[3] 郭利，張錄鶴.基于逆向工程技術的船舶螺旋槳葉數字化設計[J].艦船科學技術，2018，40（10）：4-6.

[4] 黃加福.基于逆向工程的蘋果鐘表數字化設計與樣機制造[J].漳州職業技術學院學報，2018，20（3）：84-87.