基于逆向工程的戰(zhàn)場(chǎng)搶修方法研究

余子騰 劉震磊 王阿杜 朱翰文 李博遠(yuǎn)

（1．沈陽航空航天大學(xué)航空航天信息技術(shù)協(xié)會(huì)，遼寧 沈陽 110136；2．沈陽航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

基于逆向工程的戰(zhàn)場(chǎng)搶修方法是通過對(duì)物品損傷部位的三維掃描，使用逆向建模技術(shù)對(duì)其進(jìn)行損傷評(píng)價(jià)和有效修復(fù)等一系列活動(dòng)，使其能在短時(shí)間再次投入戰(zhàn)場(chǎng)使用的技術(shù)。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)空間立體化的大前提下，裝備的快速搶修在戰(zhàn)爭(zhēng)中的作用越來越突出，如何利用有限的資源對(duì)作戰(zhàn)裝備進(jìn)行維修，保證戰(zhàn)場(chǎng)補(bǔ)給，對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利具有主導(dǎo)作用。

1 基于逆向技術(shù)的戰(zhàn)場(chǎng)搶修

1.1 戰(zhàn)場(chǎng)搶修目的

戰(zhàn)場(chǎng)搶修的根本目的是使軍隊(duì)獲得持續(xù)的作戰(zhàn)能力并取得戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利，21 世紀(jì)的戰(zhàn)場(chǎng)已經(jīng)發(fā)展為海陸空三位一體的立體化戰(zhàn)爭(zhēng)，戰(zhàn)時(shí)的敵我雙方會(huì)產(chǎn)生巨大的裝備損耗。如何高效地對(duì)裝備進(jìn)行搶修，使其能夠在短時(shí)間內(nèi)重新投入戰(zhàn)場(chǎng)，來恢復(fù)與保障軍隊(duì)的戰(zhàn)斗力，將成為取得最終戰(zhàn)斗勝利的關(guān)鍵因素。1973 年的第四次中東戰(zhàn)爭(zhēng)中，以色列及時(shí)地對(duì)損傷坦克進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)搶修，憑借這一點(diǎn)最后使得其坦克數(shù)量與阿拉伯聯(lián)軍持平，此舉在國(guó)際上引起了極大的反響。自此，戰(zhàn)場(chǎng)搶修在各國(guó)引起高度重視。

1.2 逆向技術(shù)

隨著科技的快速發(fā)展，出現(xiàn)了大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械零件。這些機(jī)械設(shè)備經(jīng)過一段時(shí)間使用或受外界因素的影響，會(huì)產(chǎn)生大量廢舊的零件，其中的大多數(shù)零件損壞是由局部破壞造成的，如果對(duì)破損部位進(jìn)行修復(fù)，依然可以重新使用，直接丟棄會(huì)造成較大損失[1]。

逆向工程的特性使其在航空維修領(lǐng)域受到了很大的重視。二代三代機(jī)修理過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)無數(shù)模、圖件缺失，或是需要更換一些按模線樣板制造的零件[2]。逆向工程受到重視的原因有3 個(gè)方面。1）獲得破損部位的數(shù)據(jù)。2）在缺少圖紙的情況下制造出與損壞零件的功能相同的零件。3）相比于傳統(tǒng)的針對(duì)損壞零件的掃描與修復(fù)，逆向技術(shù)能夠有效改善零件精度與質(zhì)量。

2 逆向工程戰(zhàn)場(chǎng)搶修技術(shù)分析

逆向技術(shù)是在數(shù)據(jù)缺乏的情況下通過現(xiàn)有的設(shè)備以及重建CAD 模型來對(duì)零件進(jìn)行復(fù)制。

要想修復(fù)零件，首先要建立精確的修復(fù)模型，模型重建可以分為以下3 部分。1）數(shù)據(jù)的獲取。2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理。3）數(shù)據(jù)分割和曲面重建。最后是CAD 模型的構(gòu)建。逆向模型重建對(duì)測(cè)量、圖形學(xué)、計(jì)算幾何等領(lǐng)域都有涉及，常用的逆向軟件有 Imageware、Geomagic、RE-soft等[3]。

現(xiàn)如今，破損面點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的方式主要分為接觸式和非接觸式兩大類，如圖1 所示。常見的接觸式數(shù)據(jù)采集方法主要是使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（Coordinate Measuring Machine， CMM）；非接觸式數(shù)據(jù)采集的發(fā)展更為多元化，例如采用光、聲和電磁等來獲取掃描點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方法分類

數(shù)據(jù)采集技術(shù)分析：

現(xiàn)如今，有許多的分析系統(tǒng)可以被用來對(duì)物體表面的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，由于區(qū)別于接觸式數(shù)據(jù)采集的特性，非接觸式采集更加地適用于戰(zhàn)場(chǎng)維修。為了突出逆向工程與非接觸式采集的便捷性，選擇了如下系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2.1 掃描系統(tǒng)分析

三維激光掃描技術(shù)又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù)，現(xiàn)有的三維激光掃描儀種類多，根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)的適用性來選擇不同的工具。在使用設(shè)備對(duì)物體表面掃描時(shí)，通過發(fā)射某種形式的光現(xiàn)到被測(cè)物體的表面，測(cè)量照明位置，獲得物體表面的空間坐標(biāo)。它的重要意義在于，能夠?qū)@得的立體圖像信息轉(zhuǎn)換為二維的數(shù)字型號(hào)，便于計(jì)算機(jī)處理，為數(shù)值化提供了便捷，圖2 為激光測(cè)量系統(tǒng)原理。

圖2 激光測(cè)量系統(tǒng)原理

三維激光掃描系統(tǒng)又可以分為機(jī)載、車載、地面和手持幾類。為了適應(yīng)不同的環(huán)境，現(xiàn)在的很多交通工具都可搭載三維掃描系統(tǒng)來滿足人們的需求，這在很大程度上符合戰(zhàn)場(chǎng)的需要。

2.2 快速成型（BP）系統(tǒng)分析

恢復(fù)軍隊(duì)作戰(zhàn)能力是戰(zhàn)爭(zhēng)的必要因素，在戰(zhàn)場(chǎng)補(bǔ)給不能準(zhǔn)時(shí)到達(dá)以及大量軍事裝備破損的情況下，加快搶修尤為重要。

圖3 快速原型開發(fā)步驟

快速成型系統(tǒng)（BP）是從計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫掃描得到的二維數(shù)值信號(hào)，應(yīng)用CAD、CAM、CIMS 等技術(shù)，快速生成設(shè)計(jì)的三維建模，在沒有任何工具、模具的條件下對(duì)應(yīng)用材料進(jìn)行疊加，快速制造出任意的原件。

BP 系統(tǒng)制造的工藝手段如圖3 所示，是將物體CAD模型分層，每層都有它特定的大小和厚度，再一層層地導(dǎo)入打印機(jī)器中，按導(dǎo)入順序?qū)?shí)物打印出來。

3 逆向工程戰(zhàn)場(chǎng)搶修流程設(shè)計(jì)

在研究逆向工程的過程中，我們用到了許多高精度的儀器設(shè)備，在考慮戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜的搶修環(huán)境的情況下，兼顧物品搶修的質(zhì)量。在這些前提條件下開發(fā)一款戰(zhàn)場(chǎng)搶修工具箱是關(guān)鍵，要求能夠快速地獲得破損零件的表面數(shù)據(jù)，運(yùn)用逆向技術(shù)對(duì)破損部位進(jìn)行搶修。

3.1 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的手段越來越復(fù)雜，從最初的陸軍兵種演變到了如今的陸、海、空、天、電磁等領(lǐng)域。將逆向技術(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)，首先需要檢驗(yàn)其各種環(huán)境的適應(yīng)能力，在能夠盡量接近戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的情況下反復(fù)測(cè)試，不斷增強(qiáng)逆向技術(shù)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的適應(yīng)能力，為將來能夠?qū)⒛嫦蚬こ踢\(yùn)用到實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中提供依據(jù)，而且能夠?yàn)閼?zhàn)場(chǎng)逆向技術(shù)維修工具箱的開發(fā)提供支持。當(dāng)前需要解決的問題是確認(rèn)對(duì)基于逆向工程的戰(zhàn)場(chǎng)維修的模擬的測(cè)試評(píng)價(jià)是可行的。

軍隊(duì)交通運(yùn)輸是作戰(zhàn)保障和后勤保障的中心環(huán)節(jié)，在作戰(zhàn)中“首先登場(chǎng)、全程使用、最后謝幕”[4]。環(huán)境是影響戰(zhàn)場(chǎng)交通的主要因素之一，環(huán)境影響主要是軍隊(duì)的兵力以及作戰(zhàn)設(shè)備的移動(dòng)方面，及時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)維修需要降低環(huán)境因素帶來的負(fù)面影響，減小維修設(shè)備轉(zhuǎn)移過程中軍隊(duì)因作戰(zhàn)設(shè)備無法使用導(dǎo)致的損失。

3.2 戰(zhàn)地?fù)屝拊O(shè)備

目前國(guó)際上主流的搶救裝備有2 種：裝甲搶救車和維修方艙。

裝甲搶救車的底盤是裝有履帶式或輪式的裝甲車輛，機(jī)動(dòng)性能優(yōu)越，按重量分為輕型、中型和重型。配備起重裝置、牽引裝置和緩沖裝置、并隨車攜帶維修工具，擁有一定的自保能力。但它不能對(duì)破損零部件進(jìn)行及時(shí)的搶救，只能將其拖拽出戰(zhàn)場(chǎng)后再補(bǔ)救。方艙是具有一定強(qiáng)度和壽命的獨(dú)立工作間，便于存放保養(yǎng)，占地面積小，方艙主要分為電子類、機(jī)械類、電源類和其他類型。具有良好的修復(fù)能力，但由于自我防衛(wèi)能力低，容易成為敵軍的打擊目標(biāo)。

3.3 基于逆向工程的搶修設(shè)備

該項(xiàng)目提出了一種將逆向技術(shù)、戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)性能、自保能力和修復(fù)能力結(jié)合的搶修設(shè)備。采用六輪雙橋驅(qū)動(dòng)的裝甲車，配備牽引裝置和起吊機(jī)械臂，將破損設(shè)備牽引和吊起。搶救車內(nèi)配備方艙，放艙內(nèi)攜帶小型掃描儀、可建模的電腦、3D 打印裝置、部分易損零部件以及維修所需的一般工具。由于這種設(shè)備的機(jī)動(dòng)性能和自保能力的保障，通過搶救車的配置對(duì)設(shè)備起吊和牽引，再由搶救方艙對(duì)破損部位檢查定損，將破損部位導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，利用打印機(jī)打印可更換零部件。要求對(duì)損傷設(shè)備進(jìn)行維修后能夠使其恢復(fù)以下能力：恢復(fù)到一般修復(fù)后的水平或是通過降低性能的方式使其恢復(fù)部分做戰(zhàn)能力，另外擁有一定的自我保護(hù)能力，能夠撤出作戰(zhàn)區(qū)域。

4 逆向工程搶修方案設(shè)計(jì)

戰(zhàn)場(chǎng)搶修通過運(yùn)用戰(zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估和修復(fù)技術(shù)，在戰(zhàn)場(chǎng)上快速修復(fù)損傷裝備；戰(zhàn)場(chǎng)搶修能夠?yàn)檐婈?duì)補(bǔ)充戰(zhàn)爭(zhēng)損耗、保持持續(xù)作戰(zhàn)能力提供重要的支撐[5]。該文研究的是基于逆向工程的戰(zhàn)場(chǎng)搶修的快速和高效，研究基于逆向技術(shù)的戰(zhàn)場(chǎng)搶修車和方艙在戰(zhàn)場(chǎng)搶修的可行性。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外逆向技術(shù)的研究與調(diào)查，我們將戰(zhàn)場(chǎng)零部件的搶修分為有無零部件模型圖紙2 種，通過是否需要逆向建模來選擇合適的搶修方案，針對(duì)他們不同的特點(diǎn)進(jìn)行研究。

4.1 搶修方案1（已有數(shù)學(xué)模型）

作戰(zhàn)裝備總是由大量的零部件組成，這其中一部分零部件會(huì)由于磨損等因素而導(dǎo)致其易損，還有一部分零件容易成為敵軍的攻擊目標(biāo)，例如郵箱、發(fā)動(dòng)機(jī)等。我們可以提前將這些零部件的數(shù)學(xué)模型保存到逆向工程的工具箱中，在需要時(shí)就可以直接調(diào)出來使用，很大程度上節(jié)省了戰(zhàn)場(chǎng)搶修的時(shí)間，實(shí)施流程如圖4 所示。

4.2 搶修方案2（無數(shù)學(xué)模型）

逆向技術(shù)的目的是提高戰(zhàn)場(chǎng)搶修的高效性，針對(duì)那些不易受損的零件，就不需要預(yù)先在數(shù)據(jù)庫。作戰(zhàn)設(shè)備復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其中會(huì)有大量重復(fù)的零件，針對(duì)這種零件損傷，可以對(duì)其同類零件進(jìn)行掃描獲取數(shù)據(jù)實(shí)施修復(fù)。

方案二流程如圖5 所示，這套方案還可以針對(duì)地方作戰(zhàn)設(shè)備進(jìn)行搶修。在缺少敵方軍事設(shè)備圖紙的情況下，可以對(duì)敵軍破損零件相同的零件掃描，通過逆向技術(shù)掃描、重構(gòu)，生成零件的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，尋找合適的修復(fù)方法，運(yùn)用我方還原技術(shù)修復(fù)敵軍設(shè)備的零件為我軍所用。

對(duì)搶修方案進(jìn)行研究，將逆向工程運(yùn)用于戰(zhàn)場(chǎng)，合理地選擇搶修方案，能夠很好地達(dá)到戰(zhàn)場(chǎng)搶修的目的和要求，使戰(zhàn)場(chǎng)搶修更加快速、高效。

圖4 方案一流程圖

圖5 方案二流程圖

5 結(jié)語

基于逆向工程的戰(zhàn)場(chǎng)搶修方法是指在戰(zhàn)場(chǎng)上運(yùn)用逆向技術(shù)的快速診斷與有效維修等工程技術(shù)，保證戰(zhàn)時(shí)軍用裝備的作用能夠持續(xù)地發(fā)揮出來。將逆向工程投入到戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的情況下，憑借其高效的數(shù)據(jù)采集處理功能；對(duì)損壞零件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，獲取損傷情況；用逆向工程軟件反建模，導(dǎo)出修復(fù)CAD 模型；選擇合適的搶修方案。由于逆向技術(shù)的特殊性，能夠很大程度上節(jié)約戰(zhàn)場(chǎng)破損零部件的修復(fù)時(shí)間。戰(zhàn)場(chǎng)搶修是獲得戰(zhàn)爭(zhēng)勝利的主要因素之一，憑借逆向技術(shù)能夠持續(xù)地為我軍提供戰(zhàn)斗力的保障。