產(chǎn)品設(shè)計中逆向工程技術(shù)應(yīng)用

徐英凱，呂鵬騰

（江西財經(jīng)大學(xué) 現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江西 南昌 330000）

隨著改革開放的進(jìn)程不斷加快，我國的數(shù)字技術(shù)也在不斷發(fā)展，以前各行業(yè)利用電腦計算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計的模式已經(jīng)不能滿足逆向工程技術(shù)的要求，所以我們必須要對有需要的產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)及理念進(jìn)行升級，以此幫助逆向工程技術(shù)的順利實施。

一、了解逆向工程技術(shù)

20世紀(jì)90年代，逆向工程就作為一種再現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計原理的逆向技術(shù)而聞名。它能夠通過對產(chǎn)品成品(包括實物、軟件、硬件等 )進(jìn)行逆向研究分析，并在此過程當(dāng)中應(yīng)用材料學(xué)、設(shè)計方法學(xué)及其他專業(yè)學(xué)科知識將產(chǎn)品在研發(fā)過程當(dāng)中的技術(shù)規(guī)格、組織結(jié)構(gòu)等以基本模型的形態(tài)而呈現(xiàn)出來。

1.數(shù)據(jù)采集技術(shù)

逆向工程技術(shù)的一大特色就是可以將有復(fù)雜的造型和曲面的產(chǎn)品建立實體模型，通過掃描測量得到數(shù)據(jù)，這個過程中的測量就是指借助專業(yè)的測量設(shè)備和方法對產(chǎn)品的特征點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后用數(shù)字化的形式顯示出來，目前測量方法主要有接觸式和非接觸式兩種。

（1）接觸式測量采集，初代的測量儀器使用的是探針式，通常這種探針式儀器是由3-6個自由度的桿式機(jī)構(gòu)和機(jī)構(gòu)末端的探針組成，然后通過相應(yīng)的計算方法得到坐標(biāo)信息。這種方法是最為成熟的技術(shù)，在逆向工程技術(shù)的實際應(yīng)用初期的重要測量方法就是接觸式數(shù)據(jù)采集法，具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢，但是這種方法效率低，而且具有一定的局限性。

（2）非接觸式測量，非接觸式測量是根據(jù)測量的具體情況，設(shè)有光學(xué)、核磁共振、工業(yè)CT、超聲波等方法。其中光學(xué)測量法是最成熟的技術(shù)，在實際作用中光學(xué)測量法又包括結(jié)構(gòu)光法、三角形法等方法。結(jié)構(gòu)光法應(yīng)是目前測量方法中較好的，因為結(jié)構(gòu)光法測量有可大范圍測量、效率高、成本低等優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)光法的缺點(diǎn)是對突變較大的物體進(jìn)行測量時會有明顯的相位突變，而且被測物體的物理性質(zhì)比如光澤、表面粗糙度等因素都會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，不過可以通過噴漆等方法提高測量精度。

2.數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于在進(jìn)行掃描時采集的點(diǎn)是亂點(diǎn)，因此我們在進(jìn)行下一步工作之前需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理步驟有去除噪聲點(diǎn)、補(bǔ)齊遺漏、數(shù)據(jù)平滑、精簡數(shù)據(jù)、多視點(diǎn)云的對齊等，其中多視點(diǎn)云的對齊環(huán)節(jié)尤為重要。在實際操作中，復(fù)雜曲面數(shù)據(jù)的采集由于以下兩點(diǎn)原因是不能一次性采集完成的：

（1）測量儀器測量范圍有限，不能對尺寸超出限制的物體一次性測量采集完成，需要分塊或者分區(qū)進(jìn)行。

（2）光測量法有測量盲區(qū)，在利用光測量法進(jìn)行測量時是有測量盲區(qū)出現(xiàn)的，即被測物某些表面是看不見的。因此，我們在實際工作中需要對被測物進(jìn)行多角度的測量，通過把被測物分成多個區(qū)域，然后從不同角度完成對物體的測量獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，由于是通過不同區(qū)域完成測量工作的，各區(qū)域測量結(jié)果的坐標(biāo)系不同，因此我們需要將所測得數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一，然后進(jìn)行建模。數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作是逆向工程技術(shù)的重要預(yù)備工作之一。

3.表面重建技術(shù)

逆向工程技術(shù)中對曲面的重建是利用產(chǎn)品表面的點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過擬合構(gòu)建一個和原產(chǎn)品相仿的模型，目前可以通過以三角曲面構(gòu)建和非均勻有理B樣條曲面的矩形域參數(shù)曲面擬合方法完成自由曲面的建模工作，其中矩形域參數(shù)曲面的擬合是較為成熟且應(yīng)用廣泛的技術(shù)。非均勻有理B樣條的優(yōu)勢就在于可以精確的表示自由曲面和二次規(guī)則曲面并且可以把二次規(guī)則曲面和自由曲面通過統(tǒng)一的數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來。

二、逆向工程技術(shù)現(xiàn)狀

逆向工程技術(shù)是上世紀(jì)八十年代的產(chǎn)物，在那時日本、美國等國家的學(xué)術(shù)界、企業(yè)界就已經(jīng)著手對逆向工程技術(shù)進(jìn)行研究，所以國外的逆向工程技術(shù)及相關(guān)技術(shù)都已達(dá)到較高的水平?，F(xiàn)在逆向工程技術(shù)已經(jīng)成為國際性課題，關(guān)于逆向工程技術(shù)的研究受到國內(nèi)外相關(guān)組織和機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，其中相當(dāng)一部分國家還就逆向工程技術(shù)成立了研發(fā)部門、代工廠還有制造公司甚至還有專項基金組織。所以國外大量企業(yè)都憑借逆向工程技術(shù)的時效性、經(jīng)濟(jì)型等特點(diǎn)使得企業(yè)的綜合競爭力得到了顯著提升。

中國對于逆向工程技術(shù)研究雖然起步晚，但是在我國，關(guān)于逆向工程技術(shù)研究的各方面都受到大力支持，因此我國的逆向工程技術(shù)水平正在不斷提升，現(xiàn)在我國已經(jīng)誕生了多項相關(guān)研究成果，而且我國也有從事相關(guān)研發(fā)的企業(yè)單位。雖說我國對于逆向工程技術(shù)的研究水平已經(jīng)與世界水平日趨接近，但是就數(shù)據(jù)處理軟件而言，中國與發(fā)達(dá)國家之間的差距還很明顯，不過現(xiàn)階段已有清華、交大等名校的數(shù)據(jù)處理專業(yè)學(xué)者參與研發(fā)，相信在不久的將來一定會有所改觀的。

三、逆向工程技術(shù)的應(yīng)用

在機(jī)械制造領(lǐng)域，逆向工程技術(shù)有如下運(yùn)用領(lǐng)悟：

1.沒有或者設(shè)計圖紙缺損的情況，在這種情況下我們需要掃描測量零件的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過軟件處理得出設(shè)計圖紙或者相應(yīng)的模型，然后通過加工得到一個相同的零件。

圖1.逆向工程技術(shù)總體步驟圖

2.產(chǎn)品有特殊要求，譬如需要在實驗測試以后才可以定型，通常這種情況只有在航空航天這類要求精度高的領(lǐng)域才會發(fā)生。因為產(chǎn)品的零件需要滿足不同的要求，達(dá)到不同的條件以后才可以確定產(chǎn)品的模型，一般來說，這種零件的曲面都比較復(fù)雜。

3.對于特別復(fù)雜的曲面或者造型，雖然現(xiàn)階段行業(yè)中所使用的三維立體構(gòu)建的軟件已經(jīng)滿足大多產(chǎn)品的設(shè)計，但是還有一小部分的復(fù)雜曲面不能通過其完成，比如說人體的外形、動物外形、植物外形等。由于這些外形都很難設(shè)計，所以我們可以先打造需要設(shè)計的對象的草模，然后進(jìn)行人工精修符合設(shè)計要求后運(yùn)用逆向工程技術(shù)掃描、軟件處理以后得到三維模型。

以汽車制造行業(yè)為例，汽車工業(yè)作為新興產(chǎn)業(yè)之一，CAD和CAM技術(shù)都已得到普及，所以就目前而言，怎么高效準(zhǔn)確地對產(chǎn)品樣件的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并將數(shù)據(jù)快速地轉(zhuǎn)化成三維模型便成了研究熱點(diǎn)。因為在汽車車身和其他的產(chǎn)品設(shè)計中使用傳統(tǒng)測量技術(shù)測量時，由于由手工修改后的樣品或是仿制產(chǎn)品時周期長、效率低、精度差，運(yùn)用傳統(tǒng)測量技術(shù)加大了工作者的工作量還對設(shè)計人員有較高要求，而且建立完成的CAD模型與實際數(shù)值有很大偏差，所以此時就應(yīng)使用逆向工程技術(shù)完成經(jīng)過手工修改后及產(chǎn)品仿制品的測量工作。

雖然汽車行業(yè)中的CAD和CAM等技術(shù)都比較先進(jìn)但是與國外相比仍存在相當(dāng)?shù)牟罹?，并且我國重要的覆蓋件模具依然是依靠進(jìn)口，譬如說別克轎車的覆蓋件模具便是進(jìn)口來的，所以逆向工程技術(shù)的成功應(yīng)用對我國的汽車工業(yè)是具有重要意義的。

結(jié)束語

直至現(xiàn)在，逆向工程技術(shù)仍然是工業(yè)設(shè)計的新模式，其經(jīng)濟(jì)性、時效性、在加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的同時使得企業(yè)的風(fēng)險和成本得到控制等一系列優(yōu)勢，讓逆向工程技術(shù)在誕生以后迅速得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。逆向工程技術(shù)在實際運(yùn)用中極大的推進(jìn)了新的產(chǎn)品設(shè)計理念的發(fā)展和進(jìn)步，尤其是在快速成型技術(shù)和逆向工程技術(shù)結(jié)合以后使得產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)得到了進(jìn)一步的提升。隨著時代的發(fā)展，逆向工程技術(shù)會與越來越多的新潮技術(shù)結(jié)合，相關(guān)的技術(shù)也會越來越成熟，屆時逆向工程技術(shù)會得到更廣泛的運(yùn)用。

圖2.逆向工程技術(shù)具體步驟