以逆向工程技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造

關(guān)金華

摘要：現(xiàn)階段在數(shù)字化背景下，現(xiàn)代化工業(yè)水平迅猛發(fā)展，工業(yè)化產(chǎn)品日新月異，伴隨工業(yè)產(chǎn)品被大量需要，工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)趨向于信息化手段與數(shù)字化水平。工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造均以整個(gè)制造過(guò)程作為研究主線。現(xiàn)代化的工業(yè)制造手段是工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的根本，之后始于數(shù)字化技術(shù)設(shè)計(jì)與工程化架構(gòu)，以及創(chuàng)建立體的三維的設(shè)計(jì)平臺(tái)與制作平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：逆向工程;數(shù)字化設(shè)計(jì);工業(yè)制造;工業(yè)產(chǎn)品

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

數(shù)字化時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)制造改革勢(shì)在必行，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整趨于必然。由此衍生出的職業(yè)教育極具特殊性。當(dāng)一個(gè)地區(qū)、一個(gè)國(guó)家的區(qū)域經(jīng)濟(jì)想要高質(zhì)量發(fā)展，并帶動(dòng)整個(gè)地區(qū)與國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，就需要根據(jù)市場(chǎng)需求調(diào)整企業(yè)架構(gòu)、產(chǎn)品架構(gòu)，從而影響整個(gè)區(qū)域的職業(yè)教育結(jié)構(gòu)。工業(yè)結(jié)構(gòu)的改變?cè)谝欢ǔ潭壬嫌绊懥藝?guó)民經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到促進(jìn)作用。以發(fā)展的眼光來(lái)看，工業(yè)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段和制造階段充分利用數(shù)字化技術(shù)能夠幫助企業(yè)迅速發(fā)展。本研究將逆向工程工業(yè)技術(shù)作為研究基礎(chǔ)，充分研究并分析數(shù)字化背景下的工業(yè)產(chǎn)品制造與設(shè)計(jì)體系，以期助力工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 剖析工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

從整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)來(lái)看，機(jī)械制造已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)的主力軍，截至目前，已然成為工業(yè)生產(chǎn)的根本與領(lǐng)航，政策方面也享受國(guó)家的優(yōu)惠與利好。由于科技與互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，全行業(yè)的工業(yè)產(chǎn)品正在以日新月異的速度更新，伴隨國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提高，各類工業(yè)產(chǎn)品需求缺口也在逐漸擴(kuò)大。那么，想要改變這一現(xiàn)狀，使得工業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與質(zhì)量得到增強(qiáng)，就需要將諸多力量置于機(jī)械工業(yè)和制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這種工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整帶動(dòng)了工業(yè)行業(yè)中建筑產(chǎn)業(yè)與家電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為這兩種產(chǎn)業(yè)注入新鮮活力。早在“十五”期間，國(guó)家就大力搞活制造產(chǎn)業(yè)，提供多項(xiàng)政策支持與技術(shù)支持，促使其行業(yè)發(fā)展迅速轉(zhuǎn)型與調(diào)整。隨著我國(guó)工業(yè)發(fā)展步伐的不斷加快，機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)也在調(diào)整發(fā)展步調(diào)，與工業(yè)發(fā)展步調(diào)協(xié)調(diào)一致。截至2019年1月，國(guó)家工業(yè)產(chǎn)值同比增長(zhǎng)16%，使得我國(guó)的機(jī)械生產(chǎn)在國(guó)際上也名列前茅?，F(xiàn)階段，正是機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的蓬勃時(shí)期，機(jī)械制造水平的提高將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，新的機(jī)械制造技術(shù)引起了眾多研究學(xué)者的關(guān)注[1]。研究學(xué)者們緊跟時(shí)代趨勢(shì)，及時(shí)關(guān)注國(guó)內(nèi)外機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，并借助先進(jìn)的信息技術(shù)，如CAD一體化技術(shù)，不斷更新機(jī)械制造方法，使得機(jī)械產(chǎn)品變得更加智能。我國(guó)的制造業(yè)發(fā)展迅猛，目前已經(jīng)不再是僅僅停留在重視機(jī)械制造產(chǎn)品的數(shù)量，更加注重的是產(chǎn)品的質(zhì)量。機(jī)械制造與計(jì)算機(jī)的結(jié)合，使得產(chǎn)品變得更加集成化、小型化和數(shù)字化，利用自動(dòng)化技術(shù)、仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)的集成技術(shù)等，機(jī)械制造產(chǎn)品將會(huì)更加微型化與智能化，更加符合人們和市場(chǎng)的需求。

2 逆向工程概念介紹

傳統(tǒng)的科研設(shè)計(jì)人員通常通過(guò)理論計(jì)算、外觀設(shè)計(jì)及模型設(shè)計(jì)等步驟實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品或模型的制造，但在整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，很多時(shí)候無(wú)法事先得到產(chǎn)品的精細(xì)數(shù)據(jù)，科研人員往往需要根據(jù)產(chǎn)品實(shí)物或模型本身來(lái)計(jì)算其三維模型，這就產(chǎn)生了逆向工程。逆向工程是指根據(jù)現(xiàn)有實(shí)物通過(guò)一系列測(cè)量和計(jì)算方法進(jìn)行反向數(shù)據(jù)推算，根據(jù)現(xiàn)有零件或產(chǎn)品建立數(shù)字化三維模型，并通過(guò)反復(fù)修改與檢查，建立該實(shí)物的三維模型，繪制該產(chǎn)品的圖紙，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的制造[2]。

逆向工程技術(shù)的主要操作對(duì)象為樣品實(shí)物或數(shù)據(jù)，科研人員需要根據(jù)樣品實(shí)物與內(nèi)部數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理和三維重構(gòu)，生成物體的幾何形狀或者產(chǎn)品圖樣的程序等[3]。逆向工程技術(shù)在實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜和難以精確表達(dá)形狀、使用未知方法構(gòu)建的樣品等場(chǎng)合技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，最后在計(jì)算機(jī)端生成同樣類型和大小的器件。逆向技術(shù)經(jīng)過(guò)近些年來(lái)的發(fā)展，其研究對(duì)象已經(jīng)從原來(lái)的實(shí)物樣品研究發(fā)展到包含軟件類、影像類產(chǎn)品或資料的重建。

逆向工程的研究?jī)?nèi)容主要包含以下幾個(gè)方面：

（1）首先進(jìn)行原產(chǎn)品設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想的探索，了解指導(dǎo)思想的同時(shí)才能夠準(zhǔn)確進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不同產(chǎn)品和樣品有不同的指導(dǎo)思想，在探究其指導(dǎo)思想時(shí)要滿足消費(fèi)者的需求，盡可能貼合消費(fèi)者的要求。

（2）了解原產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的方案，每種產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)都是按照一定的技術(shù)要求，確定實(shí)現(xiàn)方案，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心便是探究其研究方案。探索原產(chǎn)品原理方案的設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步了解功能目標(biāo)的確定原則，對(duì)產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)有極大幫助。

（3）探索產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只有弄清楚產(chǎn)品中零部件的實(shí)現(xiàn)方案，才能夠保證整個(gè)樣品的實(shí)現(xiàn)，零件的具體結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能目標(biāo)的保證。

（4）測(cè)量產(chǎn)品的零部件尺寸，根據(jù)零件形狀選用合適的測(cè)量方法完成樣品的尺寸測(cè)量，并用圖樣及技術(shù)文件方式表達(dá)出來(lái)。

（5）選擇合適的精度評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精度要求，這是逆向工程的難點(diǎn)之一。通過(guò)測(cè)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(xué)合理地進(jìn)行精度分配，才能提高產(chǎn)品的裝配精度和力學(xué)性能。

（6）確定產(chǎn)品中零件的材料，通過(guò)一系列測(cè)量、光譜分析等試驗(yàn)方法，對(duì)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，確定合適的生產(chǎn)材料。

（7）測(cè)試產(chǎn)品的工作性能，根據(jù)樣品需求進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定和反復(fù)計(jì)算，了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)規(guī)范，并提出改進(jìn)措施。

3 逆向工程的實(shí)現(xiàn)

逆向工程是利用現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)和信息技術(shù)根據(jù)實(shí)物實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品至三維模型的反向計(jì)算，該技術(shù)無(wú)論是在工業(yè)領(lǐng)域還是醫(yī)用、軍用等其他領(lǐng)域都具有重要地位。實(shí)現(xiàn)逆向工程主要包含以下3個(gè)方面。

3.1 數(shù)據(jù)測(cè)量與獲取

實(shí)現(xiàn)逆向工程技術(shù)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)的獲取，數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品復(fù)制和重現(xiàn)的基礎(chǔ)也是極為重要的一部分，沒(méi)有精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)測(cè)量無(wú)法還原出產(chǎn)品的基本特征?，F(xiàn)階段的數(shù)據(jù)獲取方法主要分為接觸式與非接觸式兩種。

接觸式數(shù)據(jù)獲取方法使用時(shí)間較久，是相對(duì)傳統(tǒng)的一種數(shù)據(jù)獲取方法，該方法利用測(cè)量工具去實(shí)際接觸測(cè)量待測(cè)實(shí)物或產(chǎn)品的三維坐標(biāo)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(guī)范的操作，不正確的使用測(cè)量工具會(huì)帶來(lái)較大的誤差;其次，該方法可能由于器件的角度和測(cè)量工具角度的差異，帶來(lái)一定程度的誤差，該方法較為耗時(shí)，可能會(huì)影響任務(wù)進(jìn)度，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸發(fā)展為基于電子系統(tǒng)的接觸式測(cè)量。

非接觸式數(shù)據(jù)獲取方法是較為先進(jìn)也比較省時(shí)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(duì)探頭的質(zhì)量要求較高，能夠在短時(shí)間內(nèi)探測(cè)到零件的豐富信息，節(jié)省人力物力，但是該方法容易受表面反射的影響，測(cè)量精度是相對(duì)較低的，在難接觸到物體表面時(shí)，可以使用此方法。不同的測(cè)量方法對(duì)應(yīng)不同的工業(yè)需要，在實(shí)際產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)中，應(yīng)該根據(jù)需求對(duì)比選擇合適的測(cè)量方法。

在數(shù)據(jù)得到后，不能直接用于計(jì)算，原因是測(cè)量數(shù)據(jù)可能受噪聲等外界影響，需要進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。例如，使用數(shù)據(jù)平滑技術(shù)去除噪聲，進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)定等。由于測(cè)量設(shè)備在測(cè)量時(shí)很難保持同一角度，不同形狀的零件也會(huì)獲得不同角度的數(shù)據(jù)信息，因此，數(shù)據(jù)處理技術(shù)還包括數(shù)據(jù)定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的定位。最后還要根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，選擇相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 三維模型建立

在獲取完數(shù)據(jù)之后，根據(jù)數(shù)據(jù)與外形信息，利用信息化軟件實(shí)現(xiàn)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(huì)把逆向工程技術(shù)與CAD方法混淆，但實(shí)際上二者并不是完全一樣的，逆向工程技術(shù)可以利用CAD模型實(shí)現(xiàn)器件的三維建模，也可以利用其他軟件實(shí)現(xiàn)模型的建立，如CATIA等。在實(shí)際選擇時(shí)，應(yīng)該根據(jù)需求，選擇合適的建模軟件，利用好開(kāi)源庫(kù)，實(shí)現(xiàn)模型的高效建立。模型的重建是逆向工程的關(guān)鍵，現(xiàn)階段越來(lái)越多的新技術(shù)能夠幫助工業(yè)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)更好的重建。重建模型后，還要根據(jù)實(shí)物實(shí)現(xiàn)模型的修正，測(cè)試其精度是否滿足工業(yè)要求，對(duì)不滿足的模型應(yīng)該反復(fù)修改，直至完成工業(yè)產(chǎn)品的精度要求。

4 逆向工程的應(yīng)用

目前逆向工程的使用可能是因?yàn)樵O(shè)計(jì)文件的丟失、樣品的重新設(shè)計(jì)等，例如，在木制品、船舶行業(yè)等，通過(guò)雕刻機(jī)或機(jī)床實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的復(fù)制。目前由于數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，基于三維建模、CAD模型的逆向工程方法已經(jīng)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)床方法。

4.1 零件的復(fù)制

現(xiàn)在逆向工程技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于產(chǎn)品的仿真或改型、破損零件的重現(xiàn)等。逆向工程技術(shù)不但能夠?qū)ΜF(xiàn)有零件進(jìn)行技術(shù)實(shí)現(xiàn)的還原，還能夠在產(chǎn)品或零件需要更新或新型號(hào)研制時(shí)起到極其關(guān)鍵的作用。由于工業(yè)產(chǎn)品都是不斷被消耗的，長(zhǎng)年累月使用的零件產(chǎn)品經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)損壞，逆向工程能夠幫助零件進(jìn)行修復(fù)，是零件修復(fù)或者再次開(kāi)發(fā)的技術(shù)保障。

4.2 工業(yè)檢測(cè)

逆向工程還能對(duì)產(chǎn)品或零件進(jìn)行誤差檢測(cè)，根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品與三維模型數(shù)據(jù)之間的誤差，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的檢測(cè)與分析。通過(guò)該技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)化精準(zhǔn)測(cè)量。

4.3 零件備用

逆向工程技術(shù)能夠根據(jù)實(shí)物生產(chǎn)出相同規(guī)格的產(chǎn)品，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被眾多航空公司用于制造備用零件。該技術(shù)能夠利用現(xiàn)有少數(shù)零件生成精確數(shù)據(jù)，科研人員可以利用三維數(shù)據(jù)生成類似規(guī)格的產(chǎn)品用于飛機(jī)制造、船舶零件制造等。

5 結(jié)語(yǔ)

逆向工程技術(shù)毫無(wú)疑問(wèn)為工業(yè)產(chǎn)品的制造帶來(lái)巨大作用，該項(xiàng)技術(shù)能夠在僅有零件實(shí)物時(shí)反向推算出模型數(shù)據(jù)，通過(guò)一定的數(shù)據(jù)獲取手段，采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法，使用三維模型軟件設(shè)計(jì)出待測(cè)實(shí)物的三維模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品到數(shù)據(jù)的計(jì)算，數(shù)據(jù)可以反復(fù)利用，從而生成不同類型不同規(guī)格的相似產(chǎn)品。在整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用價(jià)值極高，并且利用自動(dòng)化和信息化技術(shù)，促進(jìn)了機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，使得機(jī)械產(chǎn)品的制造變得更加智能。工業(yè)產(chǎn)品也因?yàn)槟嫦蚬こ碳夹g(shù)變得更加集成化、小型化和數(shù)字化。逆向工程技術(shù)的出現(xiàn)，使得工業(yè)設(shè)計(jì)人員能夠快速滿足用戶的需求。未來(lái)，逆向工程技術(shù)一定會(huì)繼續(xù)發(fā)展，更好地為工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品服務(wù)，逆向工程技術(shù)為我國(guó)工業(yè)制造領(lǐng)域帶來(lái)了全新的發(fā)展機(jī)遇，但該技術(shù)仍然應(yīng)該結(jié)合具體應(yīng)用解決現(xiàn)階段存在的問(wèn)題，向更高效更智能的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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