逆向工程技術(shù)與應(yīng)用

劉衛(wèi)東

[摘要]在現(xiàn)代制造業(yè)中，產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、設(shè)計與加工技術(shù)的先進(jìn)性是衡量制造企業(yè)甚至國家制造業(yè)水平的重要指標(biāo)。逆向工程技術(shù)以其具有的特點優(yōu)越于傳統(tǒng)設(shè)計，從產(chǎn)品實物幾何外形的數(shù)字化、CAD模型重建、產(chǎn)品或模具制造，完成產(chǎn)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(shù)能以快速、高效和精確的優(yōu)勢改變企業(yè)傳統(tǒng)的設(shè)計生產(chǎn)模式，滿足現(xiàn)代企業(yè)產(chǎn)品個性化設(shè)計和快速制造發(fā)展要求?？朔嫦蚬こ碳夹g(shù)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(guān)鍵詞]逆向工程技術(shù) 快速制造 二次設(shè)計

1逆向工程技術(shù)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(chǎn)品或零件原型構(gòu)造產(chǎn)品或零件的工程設(shè)計模型，應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計方法學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、計算機(jī)輔助技術(shù)方法進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究，探索掌握其關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而開發(fā)出同類產(chǎn)品或此基礎(chǔ)上對已有的產(chǎn)品進(jìn)行剖析和改進(jìn)，開發(fā)出更先進(jìn)的產(chǎn)品的技術(shù)。逆向工程技術(shù)是針對吸收消化先進(jìn)技術(shù)采取的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的綜合。與傳統(tǒng)的正向產(chǎn)品設(shè)計方法不同，逆向工程技術(shù)是一種逆向思維的工作方式，它是根據(jù)已經(jīng)存在的實物產(chǎn)品或零件原形來構(gòu)建產(chǎn)品的工程設(shè)計模型或原型模型，并在此基礎(chǔ)上對已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造，是對已有設(shè)計的再設(shè)計。

目前，逆向工程已經(jīng)成為新產(chǎn)品開發(fā)和消化吸收先進(jìn)技術(shù)的重要手段之一，有利于設(shè)計人員快速消化、吸收原產(chǎn)品的優(yōu)點，并在原產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種創(chuàng)新設(shè)計。

任何一項新技術(shù)、新產(chǎn)品，應(yīng)該受到有關(guān)法律的保護(hù)。逆向工程不等于偷技術(shù)，需要在科技道德和法律制約下，從學(xué)術(shù)、工程、技術(shù)方面來促進(jìn)科技的發(fā)展。這是因為：

①任何產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)，總要借鑒、繼承已有的知識和技術(shù)，市場上的產(chǎn)品總要被別人借鑒，關(guān)鍵要劃清產(chǎn)權(quán)的界限。

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

③科學(xué)的反求，有助于促進(jìn)技術(shù)革新，開擴(kuò)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(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展的一個方面和方法，發(fā)展科技和振興經(jīng)濟(jì)，鼓勵獨立開發(fā)和創(chuàng)新才是產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展的主題。

2逆向工程技術(shù)的具體內(nèi)容

2.1逆向工程技術(shù)的研究對象

逆向工程是將數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取的實物樣件表面或表面及內(nèi)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(jìn)行處理和三維重構(gòu)，在計算機(jī)上復(fù)現(xiàn)實物樣件的幾何形狀，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行原樣復(fù)制、修改或重設(shè)計，該方法主要用于對難以精確表達(dá)的曲面形狀或未知設(shè)計方法的構(gòu)件形狀進(jìn)行三維重構(gòu)和再設(shè)計。逆向工程技術(shù)的研究對象多種多樣，所包含的內(nèi)容也比較多，主要可以分為以下幾類：

實物類：主要是指先進(jìn)產(chǎn)品設(shè)備的實物本身;

軟件類：包括先進(jìn)產(chǎn)品設(shè)備的圖樣，程序，技術(shù)文件等;

影像類：包括先進(jìn)產(chǎn)品設(shè)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(shù)的研究內(nèi)容

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

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

（3）研究產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)品中零部件的具體結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)產(chǎn)品功能目標(biāo)的保證，對產(chǎn)品的性能、工作能力、經(jīng)濟(jì)性、壽命和可靠性有著密切關(guān)系。

（4）確定產(chǎn)品的零部件形體尺寸分解產(chǎn)品實物，由外至內(nèi)，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(shù)文件方式表達(dá)出來。它是反求設(shè)計中工作量很大的一部分工作，為更好地進(jìn)行形體尺寸的分析與測繪，應(yīng)總結(jié)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(biāo)注尺寸。

（5）確定產(chǎn)品中零件的精度確定零件的精度（即公差設(shè)計），是反求設(shè)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(biāo)，是評價反求設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量的主要技術(shù)參數(shù)之一。科學(xué)合理地進(jìn)行精度分配，對提高產(chǎn)品的裝配精度和力學(xué)性能至關(guān)重要。

（6）確定產(chǎn)品中零件的材料通過零件的外觀比較、重量測量、力學(xué)性能測定、化學(xué)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(xué)成分、熱處理等情況進(jìn)行全面鑒定，在此基礎(chǔ)上，遵循立足國內(nèi)的方針，考慮資源及成本，選擇合用的國產(chǎn)材料，或參照同類產(chǎn)品的材料牌號，選擇滿足力學(xué)性能及化學(xué)性能的國有材料代用。

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

（8）確定產(chǎn)品的造型對產(chǎn)品的外形構(gòu)型，色彩設(shè)計等進(jìn)行分析，從美學(xué)原則、顧客需求心理、商品價值等角度進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計和色彩設(shè)計。

（9）確定產(chǎn)品的維護(hù)與管理分析產(chǎn)品的維護(hù)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(shè)計的改進(jìn)和創(chuàng)新。

3逆向工程技術(shù)的工作階段劃分

零件原形的數(shù)字化。通常采用三坐標(biāo)測量機(jī)（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(biāo)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(jìn)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(shè)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(biāo)的要求，對不滿足要求者重復(fù)以上過程，直至達(dá)到零件的逆向工程設(shè)計要求。

4逆向工程技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)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?zāi)?，然后蠟?zāi)Ｉ贤恳阅酀{，這就是泥模。泥模晾干后，放入熱水中將內(nèi)部蠟?zāi)Ｈ刍?。將熔化完蠟?zāi)５哪嗄Ｈ〕鲈俦簾商漳?。一?jīng)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(jì)里，這個工藝流程經(jīng)過許多革新，但是制作復(fù)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(dá)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(shù)不斷革新的現(xiàn)代，逆向工程技術(shù)取代傳統(tǒng)技術(shù)，熔模鑄造企業(yè)被淘汰終將是時間問題。

逆向工程技術(shù)將在以下領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：

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

（2）當(dāng)設(shè)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(lǐng)域，為了滿足產(chǎn)品對空氣動力學(xué)等要求，首先要求在初始設(shè)計模型的基礎(chǔ)上經(jīng)過各種性能測試（如風(fēng)洞實驗等）建立符合要求的產(chǎn)品模型，這類零件一般具有復(fù)雜的自由曲面外形，最終的實驗?zāi)Ｐ蛯⒊蔀樵O(shè)計這類零件及反求其模具的依據(jù)。

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

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

5逆向工程技術(shù)有待解決的問題

目前，國內(nèi)有關(guān)逆向工程的研究主要集中在幾何形狀的逆向，即重建產(chǎn)品實物的CAD，稱為“實物逆向工程”。盡管經(jīng)過多年的發(fā)展，逆向工程研究領(lǐng)域取得了一些研究成果，但在應(yīng)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(dǎo)致逆向工程技術(shù)發(fā)展上的困難。

（2）缺乏統(tǒng)一的逆向工程的概念、標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語。導(dǎo)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(shù)的應(yīng)用。

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

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

6結(jié)論

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