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1、1.反求工程概述时代背景 在当今的信息时代，市场竞争日趋激烈，产品批量变小，技术含量增大，品种增多，产品的生命周期变得越来越短。传统的开发模式已很难适应新的变化需求，建立快速的市场响应技术平台已成为企业在市场竞争中立于不败之地的重要法宝。概念 反求工程（Reverse Engineering）也称为逆向工程，它以先进产品或设备的实物、软件（图纸、程序、技术文件等）或影像（图片、照片等）作为研究对象，应用现代设计理论与方法、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统分析和研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类的先进产品，是针对消化吸收先进技术的一系列方法和应用技术的组合。第1页/共31页 引进国
2、外先进技术是世界各国加快技术发展的重要手段，是发展中国家追赶发达国家的必然选择。对国外先进技术的消化吸收与创新，在较短时间内使我国技术达到国际先进水平，实现跨越式发展。反求工程是消化吸收先进技术进行技术创新的高新技术，实施好反求工程是实现跨越式发展的关键。在机械制造领域应用多年的仿制技术，是反求工程的发展基础。反求工程不是传统意义上的“仿制”，而是基于原型的再设计。从应用目标来看，实物仿制的着眼点在于制造出与实物相同的产品；而反求工程的着眼点则在于对原始设计的还原与再设计，而后制造出和原有实物“形似”而且“神似”的产品；反求工程更强调集百家之长，在原有技术基础上进行创新和开拓延伸，形成更高层次
3、的新技术或新产品。第2页/共31页 反求工程要求对引进技术进行消化、吸收和创新的深化开发，做到既能有效地使用它，还能逐步掌握和发展它，实现由生产使用为主，向吸收、开发为主的转变，最终形成自主的技术开发体系。据统计，百分之七十以上的技术源于国外，反求工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大提高了生产率。我国当前的现状是：我国是世界制造业大国，但是我们不是制造业强国。众所周知，我国被称为是世界的工厂，由此我国得以和印度，俄罗斯，巴西合称为“金砖四国”。但是，我们必须清醒的认识到我们周四和掌握的边缘技术，真正的核心技术并不被我们直接接触。研究反求工程技术，对我国国民经济的
4、发展和科学技术水平的提高，具有重大的意义。第3页/共31页2.传统设计与反求设计比较a）传统设计过程 如图（a）所示，传统设计是通过工程师的创造性劳动，将一个事先并不知道的事物变为人类需求的产品。为此，工程师首先要根据市场需求，提出目标和技术要求，再进行功能设计，创造新方案，在经过一系列的设计活动之后，得到预期的新产品。概括地说，传统设计是由未知到已知、由想象到现实的过程，回答的是“怎么做？”的问题。(a)第4页/共31页(b)反求设计过程 反求设计则是从已知事物的有关信息（包括实物、技术资料文件、照片、广告、情报等）出发，去寻求这些信息的科学性、技术性、先进性、经济性、合理性等，并充分消化和
5、吸收，在此基础上进行改进和再创造。图（b）为反求设计过程示意图，回答的是“为什么要这样做？”的问题。（b）第5页/共31页小结 传统设计过程是一个主动的创造性活动，而反求设计过程则是一种高起点的、先被动后主动的创造性活动。一个先进成熟的产品，凝集着设计者的智慧和技术，要在吃透、消化原设计的基础上设计出更强竞争力的创新产品，别有一番难度，所以说反求设计并非传统设计的简单逆过程。第6页/共31页3.反求工程的优点反求工程具有以下的优点：1.快速建立新产品的数据化模型 利用坐标测量仪器对原产品进行实际测量，快速建立起新产品的原始数据模型，为快速原形制造提供数据来源。坐标数据采集是反求工程中的第一环节
6、，是数据处理、模型重建的基础。常用的测量方法有机械坐标测量法、激光线扫描、光栅法及层切法等。2.显著提高新产品技术水平 在对原产品原理、结构、材料、精度、使用维护分析的基础上，采用价值工程、人机工程学、相似理论、精度设计、动态设计和可靠性设计等现代优化设计工具对其进行改进和提高，以制造出更好的产品来。因此，反求工程技术有助于企业迅速消化吸收和改进提高国内外先进技术，确保企业自身在同行业中新产品的技术水平优势。3.彻底改变新产品传统制造工艺方法 反求工程集成制造系统综合运用了CAD/CAE、数控、伺服驱动、激光和材料等先进技术，可在没有传统制造工具的情况下，在短时间内制造出几何形状复杂的物体。第
7、7页/共31页4.缩短新产品研发周期 快速响应制造是21世纪对制造业更具影响的技术之一。追求完美与个性化的消费需求使产品品种多样化，企业间的竞争不再只是质量与成本的竞争，更重要的是产品上市时间的竞争。采用反求技术可避免走自行开发中不可避免的许多弯路，从而大大缩短新产品的开发周期，为企业快速占领市场创造有利条件。5.实现异地(远地)制造或虚拟制造 将反求工程与快速原形制造相结合，利用互联网或局域网将三维物体数据方便地读入、传输，实现异地(远地)制造或虚拟制造。6.实现快速模具制造(RT)将快速原形制造的样本用于模具制造，可降低成本，缩短生产周期，显著提高生产效率。硅橡胶模、金属树脂模等可用原模具
8、为样本，用反求的方法实现快速制造模具。7.快速制造出复杂物体三维模型 对于一些十分复杂的物体，如车身壳体、玩具、艺术造型等，用目前的CAD软件，还很难设计出十分满意的形状要求。如果运用反求技术，则可很快地将实体模型转化为CAD模型，然后利用快速原形系统制造出样件。第8页/共31页4.反求工程的应用领域汽车设计、复杂艺术品造型等领域汽车设计、复杂艺术品造型等领域重新建立零件的重新建立零件的CADCAD模型模型不断对修改后的样品进行测量和模型重建不断对修改后的样品进行测量和模型重建提供对机械产品零件的修复能力提供对机械产品零件的修复能力借助借助CTCT技术，产生物体的外部形状，快速发现、度量、定位
9、物体的内部缺技术，产生物体的外部形状，快速发现、度量、定位物体的内部缺陷陷方便地产生基于模型的计算机视觉方便地产生基于模型的计算机视觉使产品设计充分利用使产品设计充分利用CADCAD技术的优势，适应信息交换技术的优势，适应信息交换特殊领域的应用特殊领域的应用第9页/共31页 情形一：在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，在对零件原形进行测量的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据利用快速成型技术复制出一个相同的零件原型。情形二：当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用反求工程的方法。如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设
10、计模型的基础上经过各种性能测试（如风洞实验等）建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。第10页/共31页情形三：在美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，而不采用在计算机屏幕上缩小比例的物体投视图的方法，此时需用反求工程的设计方法。修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等，此时不需要对整个零件原型进行复制，而是借助反求工程技术抽取零件原形的设计思想，指导新的设计。这是由实物逆向推理出设计思想的一种渐近过程。情形四：在某些医学领域，利用层析X射线(Computerized
11、Tomography，CT)及核磁共振(Mag-netic Resonance Imagining，MRI)等设备采集人体器官、骨骼、关节等部位的外形数据，重建三维数据化模型，然后用快速原形技术制造教学和手术参考用的模型或用于帮助制造假肢或外科镶复等，由于对具体患者采集数据并建立相应的三维模型，可以使假肢、牙科镶复及其它器官更具有针对性，更符合具体患者的需求。第11页/共31页5.反求工程的步骤 反求设计分为反求对象分析阶段与设计阶段两个阶段。反求对象分析阶段通过对原有产品的剖析，寻找原产品的技术缺陷，吸取其技术精华、关键技术，为改进或创新设计提出方向。反求设计阶段在对原产品进行反求分析的基础
12、上，进行测绘仿制、开发设计和变异设计，研制出符合市场需求的新产品。开发设计就是在分析原有产品的基础上，抓住功能的本质，从原理方案开始进行创新设计；变异设计就是在现有产品的基础上对参数、机构、结构和材料等改进设计，或对产品进行系列化设计。第12页/共31页反求工程的一般的步骤：第一步:零件原形的数字化通常采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描仪等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。第二步:从测量数据中提取零件原形的几何特征按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。第三步:零件原形CAD模型的重建将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表
13、面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型。第四步:重建CAD模型的检验与修正采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的逆向工程设计要求。第13页/共31页第14页/共31页6.反求设计对象分析(1)产品设计的指导思想分析 了解产品设计的指导思想是分析产品设计的重要前提，是明确反求设计要求的关键。不同时期的产品在设计指导思想方面是不同的，并与社会的发展及科技发展水平密切相关。在产品设计早期，人们往往是从完善功能、扩展功能、降低成本方面开发产品，但随着社会的发展，
14、人民生活水平的提高，在保证功能的前提下，产品的精美造型、工作生活的舒适性等也成为设计人员追求的目标。冰箱要求能美化人们家居生活，能满足人们的健康需求；计算机键盘、鼠标必须使操作人员手位舒适；汽车座椅设计能够缓解驾驶员的疲劳等。要分析一个产品，首先要从产品的设计指导思想入手。它决定了产品的设计方案，深入分析并掌握其指导思想是分析了解整个产品设计的前提。了解反求对象的功能将有助于对产品设计方案的分析、理解和掌握，才有可能在进行反求设计时，得到优于原产品的设计方案。第15页/共31页(2)材料分析 同一零件采用不同的材料及材料处理方式，对零件的功能、加工工艺、使用性能有着重要影响。探求原设计零件材料
15、的化学成分、结构和表面处理情况，可以使用表面观测、化学分析、金相检验等分析方法。物理试验可以测定材料的各种物理性能和主要的力学性能，确定材料牌号及热处理方式。立足本国资源，必要时选择适用的国产材料替代。替代原则是优先满足力学及物理性能，其次满足化学成分的要求，参照其它同类产品，确定替代材料的牌号及技术条件。(3)功能原理方案分析 各种产品都是按照一定的要求设计的，而满足一定要求的产品，可能有多种不同的形式。所以产品的功能目标是产品设计的核心问题，不同的目标可引出不同的原理方案。例如设计一个夹紧装置时，如果把功能目标定在机械手段上，则可能设计出螺旋夹紧、凸轮夹紧、连杆结构夹紧、斜面夹紧等原理方案
16、。如果把功能目标扩大，则可能出现液压、气动、电磁夹紧等原理方案。充分了解反求对象的功能有助于对产品原理方案的分析、理解和掌握，也才有可能在进行反求设计时得到基于原产品而又高于原产品的原理方案，这也是反求工程技术的精髓所在。第16页/共31页(4)零、部件结构分析 结构设计不仅仅是原理方案的具体化过程，还必须要考虑许多细节，而细节的总和就是质量。因此，零、部件结构分析时除了要考虑提高产品性能（提高强度、刚度、精度、寿命，减少磨损，降低噪声等），还要考虑工艺、装配、美观、成本、安全、环保等诸多方面的要求和限制。(5)零、部件形体尺寸分析 根据拥有反求对象的资料（实物、软件或影像）的不同，在确定反求
17、对象形状尺寸时，所选用的方法也有所不同。若是实物反求，则可对产品直接进行测量；若是软件或影像反求，则可采用参照物对比法、利用透视成像原理和作图技术，并结合人机工程学和相关的专业知识，通过分析计算确定其形状尺寸。对于具有复杂曲线曲面的零件，则要采用一些先进的测绘手段及测绘仪器方可实现。第17页/共31页(6)工艺分析 在反求工程技术中，反求设计与反求工艺是相互联系，缺一不可的。在某些情况下，反求工程中工艺问题比设计问题更难处理，因此，在缺乏制造原型产品的先进设备与先进工艺方法和未掌握某些特殊技术的条件下，对反求工程中的工艺问题的处理就显得尤为重要。通常采用的方法有反叛法编制工艺；改进工艺方案，保
18、证原设计的要求；曲线对应法反求工艺参数；材料国产化，局部改进原型结构以适应工艺水平(7)精度分析 精度是衡量反求对象性能的重要指标之一，也直接影响产品的成本。零件尺寸易于获得，但尺寸精度却难以确定，这也是反求设计中的难点之一。合理分析设计零件精度及其分配关系，对提高产品的装配精度、机械性能，降低产品成本至关重要。(8)工作性能分析 针对产品的工作特点及其主要性能（强度、刚度、精度或寿命等）进行试验测定、反计算和深入的分析，掌握其设计准则和设计规范。在分析产品的运动特性、力学特性过程中，建立合理的数学模型，进行静态、动态的全面分析。例如，某机床厂与法国Vernier公司合作，开发生产DB420型
19、工作台不升降铣键床。第18页/共31页 在测试了原铣键床的部件几何精度，机床静刚度，主传动效率，主轴部件热变形、温升，并进行切削振动、激振、噪声等试验之后，抓住了刚度和热变形的主要矛盾。主要矛盾的解决，使新产品工作性能得到了很大改善。(9)外观造型分析 在市场经济条件下，产品的外观造型在商品竞争中起着重要的作用。对产品的造型及色彩进行分析时，应从美学原则、顾客需求心理、商品价值等角度进行外观造型设计和色彩设计。美学原理包括合理的尺度、比例，造型上的对称与均衡、稳定与轻巧、统一与变化、节奏与韵律等。此外，色彩也能美化产品并引起感情效果。对有关产品色调的选择与配色、色彩的对比与调和等方面作相应分析
20、，有利于了解它的设计风格。(10)对产品的维护与管理进行分析 分析产品的维护与管理方式，了解重要零、部件及易损的零、部件，有助于维修、改进设计和创新设计。第19页/共31页7.反求设计对象类型 从工程技术角度看，根据反求对象的不同，反求设计可分为实物反求、软件反求和影像反求三类。(1)实物反求 顾名思义，实物反求是在已有实物条件下，通过试验、测绘和详细分折，研制开发出与原型产品相同或相似的新产品。实物反求过程是一个认识产品、再现产品或创造性地开发产品的过程，其中包括功能反求、性能反求、方案、结构、材质、精度、使用规范等众多方面的反求。实物反求首先要在实物未解体前进行功能、性能等全面试验考核，测
21、试其各项功能和性能指标。为此，应做好以下几项工作：1)根据样本、使用说明书等技术文件，搞清产品的功能指标；2)制定相应的试验条件和试验规范；3)选择和完善试验台及相应测试仪表和精度；4)科学处理试验结果，其中包括静态数据和动态数据；5)记录试验中出现故障的现象，为进一步分析提供依据。第20页/共31页总之，通过试验，要客观捕捉和反映原机的真实面貌，总结其优点和不足。对有些样机，不仅要作台架试验，必要时还需要作野外行走试验。（2）软件反求 技术软件泛指产品样本资料、产品标准、产品规范，以及与设计、研制、生产制造有关的技术资料和技术文件，如产品图纸、制造验收技术条件、产品设计说明书、计算书、使用说
22、明书和产品设计标准、工具工装设计标准、工艺守则、操作规范、管理规范、质量保证手册等。依据这些技术软件，设计新产品的过程，称为软件反求。第21页/共31页（3）影像反求 既无实物，又无技术软件，仅有产品照片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面等，设计信息量最少，基于这些信息来构思、想象开发新产品，称之为影像反求，这是反求设计中难度最大的并最富有创新性的设计。影像反求设计本身就是创新过程，目前还未形成成熟的技术，一般要利用透视变换和透视投影，形成不同透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构。影像反求设计中，对图片等资料进行分析是最关键的技术，包括透视变换原
23、理与技术、阴影、色彩与三维信息等技术。随着计算机技术的飞速发展，图像扫描技术与扫描结果的信息处理技术已逐渐完善。通过色彩可辨别出橡胶、塑料、皮革等非金属材料的种类，也可辨别出是铸件或是焊接件，还可辨别出钢、铝、铜、金等有色金属材料。通过外形可辨别其传动形式和设备的部分内部结构。根据拍照距离可辨别其尺寸。当然，图像处理技术不能解决强度、刚度、传动比等反映机器特征的详细问题，更进一步的问题还需要技术人员去解决。第22页/共31页8.反求工程应用举例 日本是应用反求工程技术推动本国科技和经济高速发日本是应用反求工程技术推动本国科技和经济高速发展的典范，当今日本的技术经济称雄世界，究其原因与日展的典范
24、，当今日本的技术经济称雄世界，究其原因与日本高度重视反求工程技术是分不开的。二次大战后日本经本高度重视反求工程技术是分不开的。二次大战后日本经济严重崩溃，为了发展科技振兴经济，战后日本推行了济严重崩溃，为了发展科技振兴经济，战后日本推行了“吸收式吸收式”技术发展战略技术发展战略,即在引进先进技术的同时，十分注即在引进先进技术的同时，十分注重反求工程技术的研究和应用。通过对先进的引进技术消重反求工程技术的研究和应用。通过对先进的引进技术消化、吸收、改进，生产出技术水平更高、性能质量更好的化、吸收、改进，生产出技术水平更高、性能质量更好的产品，从而迅速占领国际市场产品，从而迅速占领国际市场 日本引
25、进与改进相结合，称为：日本引进与改进相结合，称为：一号机引进、二号机改进、三号机出口。一号机引进、二号机改进、三号机出口。美国人发明的晶体管技术原来只用于军事领域，日本美国人发明的晶体管技术原来只用于军事领域，日本SONY SONY 公司买到此晶体管专利技术后进行反求工程研究，移植于公司买到此晶体管专利技术后进行反求工程研究，移植于民用领域，开发出晶体管半导体收音机，占领了国际市场。民用领域，开发出晶体管半导体收音机，占领了国际市场。第23页/共31页 最近在中国的军备历史上非常具有里程碑意义的一件事情是：歼20的研制及首飞！大家都知道J20被称为是五代机（俄罗斯），通常被划分为四代机（美国及
26、西方的划分方法）。主要的特点是：超音速巡航，超视距攻击，高度隐身性能，很好的机动性。目前大家知道的四代战机主要有：美国的F-22猛禽，F-35以及俄罗斯的T-50。现在将上述几种战机做一下比较。网上有好多网友热议说：J20是在前不久失踪的一架F-22的基础上利用反求工程技术才获得重大技术突破的。在此呢，我们不去议论这件事情的真假。只是看一下这几种世界上先进战机的比较。第24页/共31页第25页/共31页F-22猛禽J-20战机T-50战机第26页/共31页常用的测量方法接触式测量方法-坐标测量机 坐标测量机是一种大型精密的三坐标标测量仪器，可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行逆向工程测量。坐
27、标测量机一般采用触发式接触测量头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值。九十年代初，英国Renishaw公司研制出一种三维力一位移传感的扫描测量头，该测头可以在工件上滑动测量，连续获取表面的坐标信息，扫描速度可达8米/秒，数字化速度最高可达500点/秒，精度约为。这种测头价格昂贵，目前尚未在坐标测量机上广泛采用。坐标测量机主要优点是测量精度高，适应性强，但一般接触式测头测量效率低，而且对一些软质表面无法进行逆向工程测量。第27页/共31页层析法 层析法是近年来发展的一种反求工程逆向工程技术 将研究的零件原形填充后，采用逐层铣削和逐层光扫描相结合的方法获取零件原形不同位置截面的内外轮廓数据，并将其
28、组合起来获得零件的三维数据。层析法的优点在于任意形状，任意结构零件的内外轮廓进行测量，但测量方式是破坏性的。第28页/共31页非接触式反求工程测量方法非接触式测量根据测量原理的不同，大致有光学测量、超声波测量、电磁测量等方式。基于光学三角型原理的逆向工程扫描法这种测量方法根据光学三角型测量原理，以光作为光源，其结构模式可以分为光点、单线条、多光条等，将其投射到被测物体表面采用光电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量根据光点或光条在物体上成象的偏移，通过被测物体基平面、象点、象距等之间的关系计算物体的深度信息基于相位偏移测量原理的莫尔条纹法这种测量方法将光栅条纹投射到被测物体表面，光栅条纹受物体
29、表面形状的调制，其条纹间的相位关系会发生变化，数字图像处理的方法解析出光栅条纹图像的相位变化量来获取被测物体表面的三维信息。第29页/共31页基于工业CT断层扫描图像逆向工程法这种测量方法对被测物体进行断层截面扫描,以X射线的衰减系数为依据，经处理重建断层截面图像根据不同位置的断层图像可建立物体的三维信息。该方法可以对被测物体内部的结构和形状进行无损测量。该方法造价高，测量系统的空间分辨率低，获取数据时间长，设备体积大。美国LLNL实验室研制的高分辨率ICT系统测量精度为。立体视觉测量方法立体视觉测量是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个（多个）摄象机拍摄的图像中的视差，以及摄象机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。立体视觉测量方法可以对处于两个（多个）摄象机共同视野内的目标特征点进行测量，而无须伺服机构等扫描装置。立体视觉测量面临的最大困难是空间特征点在多幅数字图象中提取与匹配的精度与准确性等问题。第30页/共31页感谢您的观看！第31页/共31页