機械設(shè)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(yè)要想將產(chǎn)品競爭力提高，除了需要對行業(yè)內(nèi)的新技術(shù)和理念進行有效的消化，還要不斷地實現(xiàn)針對創(chuàng)新。立足于機械業(yè)自身發(fā)展的這個角度來講，這個挑戰(zhàn)難度非常大，而逆向工程在機械設(shè)計中的應(yīng)用無疑為推動機械設(shè)計制造業(yè)的發(fā)展做出了實質(zhì)性的貢獻。本文論述了機械設(shè)計制造中逆向工程的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計制造；逆向工程；應(yīng)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(fā)展，我國經(jīng)濟發(fā)展步伐不斷加快，科技水平也取得了巨大的發(fā)展成效?；谶@樣的發(fā)展背景之下，機械制造行業(yè)作為我國非常重要的產(chǎn)業(yè)之一，其發(fā)展規(guī)模也在不斷擴大，其在推進國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。傳統(tǒng)的機械設(shè)計制造方式不但安全性低且效率不高，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代制造行業(yè)的發(fā)展需求。在上述的基礎(chǔ)上，只有不斷提高機械制造產(chǎn)品的科技含量水平，促使機械設(shè)計制造實現(xiàn)最大程度的現(xiàn)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(shù)的使用。本文系統(tǒng)介紹了制造業(yè)領(lǐng)域當中的逆向工程技術(shù)，包括其工作原理以及其在實際中的應(yīng)用情況，希望能夠為相關(guān)的人員提供一定的參考依據(jù)。

1 概述

1.1 機械設(shè)計制造概述

傳統(tǒng)形式的機械制造業(yè)主要是通過人為操作而完成的，過去我們經(jīng)?？梢砸姷?，在一個生產(chǎn)車間、工廠中可要想完成一批產(chǎn)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(chǎn)過程當中，工人需要無時無刻的對機械的運作進行監(jiān)測和控制，為了就是防止機械故障而造成生產(chǎn)損失。這種勞作方式，需要花費大量的物力、人力和財力，生產(chǎn)時間長、生產(chǎn)效率低，最終所生產(chǎn)出來的產(chǎn)品科技含量和質(zhì)量都不高，且耗能大，導(dǎo)致很多不必要的資源發(fā)生浪費，增加生產(chǎn)成本，難以實現(xiàn)最大化的經(jīng)濟效益。隨著時代的不斷進步和發(fā)展，機械設(shè)計制造也必定會與時俱進，從過去傳統(tǒng)的人為操作方式擺脫出來，朝著自動化方向發(fā)展，完全取代傳統(tǒng)的人為操作方式，使得生產(chǎn)變得更加安全、快捷以及環(huán)保。機械設(shè)計制造及其自動化是科技信息發(fā)展的產(chǎn)物，是人類進步的象征，在機械設(shè)計制造行業(yè)中融入逆向工程等先進的科學(xué)技術(shù)，使得整個生產(chǎn)操作更加靈活、方便，提高產(chǎn)品科技含量，增加了生產(chǎn)安全性，減少人力、物力的投入，使機械設(shè)計制造行業(yè)得以實現(xiàn)最大的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，穩(wěn)固在我國國民經(jīng)濟中的主導(dǎo)地位，繼續(xù)在推進我國國民經(jīng)濟中發(fā)揮著主導(dǎo)地位。

1.2 逆向工程技術(shù)概述

這種技術(shù)即借助先進數(shù)據(jù)測量手段，通過測量掃描將產(chǎn)品實物信息得到，然后再對逆向工程技術(shù)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(shù)為基礎(chǔ)的前提下將產(chǎn)品模具加工出來，最終將產(chǎn)品制成。這種逆向工程技術(shù)除了能夠復(fù)制已經(jīng)存在的產(chǎn)品，還能夠基于原有實物模型，進而實現(xiàn)已有產(chǎn)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(xué)技術(shù)進行不斷的創(chuàng)新，修改并重新進行設(shè)計，之后實現(xiàn)已有產(chǎn)品的有效創(chuàng)新。

2 逆向工程工作的原理

逆向工程系統(tǒng)組成有三個部分，模具或產(chǎn)品制造、CAD模型重建以及數(shù)字化的產(chǎn)品實物的幾何外形都包括在其中。在機械制造業(yè)的領(lǐng)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(shù)字化處理。然后對CAD模型進行構(gòu)建。當檢查好CAD模型之后，假如滿足相關(guān)的要求，那么就可對其加工或者設(shè)計。它有兩個階段的應(yīng)用過程，第一階段即對原型進行復(fù)制，或制造同原型相關(guān)的模具。它有兩個部分，包括反求制造以及三維重構(gòu)，快速的成型制造就是其典型的應(yīng)用。第二個階段有三個部分，包括反求制造和基于原型再設(shè)計以及三維重構(gòu)等部分。其中，基于原型再設(shè)計能夠?qū)⒛嫦蚬こ剃P(guān)鍵的創(chuàng)新功能部分體現(xiàn)出來。它能夠通過相關(guān)CAE分析手段來分析力學(xué)以及美學(xué)，并基于此進行創(chuàng)新，將新的產(chǎn)品形成，然后將圖紙輸出，最后再對產(chǎn)品進行制造。

3 逆向工程的幾種關(guān)鍵技術(shù)

逆向工程主要包括以下幾種關(guān)鍵技術(shù)：第一，測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理技術(shù)，第二，數(shù)據(jù)測量技術(shù)；第三，曲面優(yōu)化技術(shù)以及光順品質(zhì)分析，第四，曲面重構(gòu)技術(shù)。

3.1 測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理技術(shù)

實際工程中，由于有較為密集的測量數(shù)據(jù)點。而且難以避免的是，測量產(chǎn)品的外形數(shù)據(jù)會引入數(shù)據(jù)壞點和邊界周邊的測量數(shù)據(jù)以及尖銳邊的測量數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)誤差，所以應(yīng)數(shù)據(jù)處理測量數(shù)據(jù)云。數(shù)據(jù)處理應(yīng)包括去除噪聲、精簡數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)平滑、拼合多視數(shù)據(jù)、插補數(shù)據(jù)、區(qū)域分割數(shù)據(jù)等一些內(nèi)容。由于曲線曲面構(gòu)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(shù)據(jù)組織形式要求和密度要求以及質(zhì)量要求。因此，可根據(jù)需要選擇使用以上幾種數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)。當前，有幾種逆向工程軟件較為常用，其中Imageware得以最廣泛應(yīng)用，且有著很強的數(shù)據(jù)預(yù)處理能力。它除了能夠通過數(shù)據(jù)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?qū)⑤^好的A級曲面構(gòu)造出來，所以在汽車和航空航天、電子和計算機部件等領(lǐng)域?qū)ζ溥M行了廣泛地應(yīng)用[1]。

3.2 數(shù)據(jù)測量技術(shù)

借助特定的測量方法和測量設(shè)備將零件表面離散點幾何的坐標數(shù)據(jù)得到就是這種技術(shù)的重要任務(wù)。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(xué)測量和光學(xué)測量以及磁學(xué)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(yè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)[2]。

3.3 曲面優(yōu)化技術(shù)以及光順品質(zhì)分析

可以說，保障逆向工程曲面質(zhì)量的即光順品質(zhì)的優(yōu)化技術(shù)。一般情況下，要根據(jù)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(diào)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(zhì)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(diào)整，能夠優(yōu)化光順品質(zhì)，確保更為光滑的曲面[3]。

3.4 曲面重構(gòu)技術(shù)

將能被CAD系統(tǒng)所接收到的曲面模型建立起來，從而處理后續(xù)數(shù)據(jù)，就是逆向工程最重要的目標。當前主要有兩類曲面重構(gòu)算法，包括四邊域參數(shù)曲面重構(gòu)和三邊域曲面重構(gòu)的方法。將三角曲面當做理論基礎(chǔ)即三邊域曲面構(gòu)造方法，這種方式能將一些復(fù)雜型面物體表現(xiàn)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(shù)曲面的基礎(chǔ)是測量數(shù)據(jù)，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(shù)曲面當中。這些矩形曲面都能夠在三維空間映射參數(shù)矩形域，尤其是NURBS，由于其有獨特的優(yōu)勢，當中已經(jīng)成為通用的對產(chǎn)品幾何形狀進行描述的方法[4]。

4 工程實例

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

4.1 采集點云

在數(shù)據(jù)采集的時候，需要用到OKIO光學(xué)非接觸式的照相測量系統(tǒng)。OKIO這種測量系統(tǒng)是在結(jié)構(gòu)光學(xué)的基礎(chǔ)上建立的，它結(jié)合了相位移動和條紋投影以及光學(xué)三角化等原理，針對實物樣件，實現(xiàn)非接觸測量[6]。

4.2 對曲面進行創(chuàng)建以及分析誤差

在曲面重構(gòu)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?？稍贑ATIA軟件當中導(dǎo)入重構(gòu)波輪，然后重構(gòu)模型，之后再分析所測量數(shù)據(jù)點存在的誤差。分析可知，一般會在復(fù)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(gòu)的時候會有一定誤差出現(xiàn)，但為了減少誤差，可采取一定的措施[7]。

5 未來的應(yīng)用前景

總的來講，實施逆向工程需要協(xié)同多個學(xué)科以及多個領(lǐng)域，它除了能夠在修補機械產(chǎn)品、復(fù)制已有的零件，還能夠集成行業(yè)分析軟件以及逆向工程，對當前的技術(shù)進行利用進行分析和研究。比方說，面對零部件，可進行結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析；面對機械產(chǎn)品，可實行機構(gòu)運動分析；面對風(fēng)扇和汽車，可實行流體動力學(xué)分析，從而掌握設(shè)計產(chǎn)品的技巧。我們相信在不久的未來，當逆向工程集成了產(chǎn)品制造和概念設(shè)計、優(yōu)化方法和分析時，必然會將一套較為完整的生產(chǎn)體系形成。

6 結(jié)語

本文對逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)，其次是數(shù)據(jù)測量技術(shù)等，在使用上述基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上將一個曲面重構(gòu)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(yīng)用過程，希望以上論點能夠為相關(guān)的研究者提供一定的參考依據(jù)。

參考文獻

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