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1、1 概述随着市场竞争的加剧，产品生命周期越来越短，企业界对新产品的开发力度也得到不断加强。从总体上说，新产品的开发有两种不同的模式：一是从市场需求出发，历经产品的概念设计、结构设计、加工制造、装配检验等产品开发过程，称为产品开发的正向工程；另一种是以已有产品为基础，进行消化、吸收并进行创新改进，使之成为新产品，这种开发模式即所谓的反求工程(reverse engineering,RE）。实际上，任何产品问世，包括创新、改进和仿制的，都蕴含着对已有科学、技术的继承、借鉴和应用。从这个意义上讲，反求思维在工程中的应用源远流长，而明确提出反求工程这个术语并作为一门学问和实用技术进行系统研究则是近 3
2、0 年的事情。其中，计算机技术和反求工程以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对己有产品进行解剖、深化和再创造。反求工程发展至今，已成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段和重要策略之一。在这方面，日本是一个最成功的范例。战后日本制定了吸收性战略的基本国策，应用反求工程对其引进的技术进行消化、吸收和创新，给第二次世界大战后的日本国民经济注人了新的活力，推动了日本经济的高速发展，使日本国民经济从 20 世纪50 年代落后先进国家 20 一 30 年的状态，到 20 世纪 70、80 年代成为世界第二经济强国。据统计，各国 70 以上的
3、技术源于国外，逆向工程作为掌握、改进和发展技术的一种手段，可使产品研制周期缩短 40 以上，从而极大地提高了生产率。反求工程的实际应用为许多企业的发展带来了生机，进而为创新设计和各种新产品开发奠定了良好基础。(1）正设计与反设计设计一般指正设计，它是一个从无到有的产品设计过程。设计人员首先根据市场需求，提出目标和技术要求，进行功能设计，创造新方案，经过一系列的设计活动变为产品。概括地说，正设计是由未知到已知、由想象到现实的过程，如图 2 一 28 所示。图 2 一 28 正设计过程示意图反设计是从已知事物的有关信息（包括硬件、软件、照片、广告、情报等）去寻求这些信息的科学性、技术性、先进性、经
4、济性、合理性和改进的可能性等，要回溯这些信息的科学依据，即充分消化和吸收，进而在此基础上进行改进、挖潜和再创造。图 2 一 29 所示为反设计过程示意图。图 2 一 29 反设计过程示意图(2）反求工程的实现随着 CAD/CAM 技术的成熟和广泛应用，以 CAD/CAM 软件为基础的反求工程应用越来越广泛，其基本过程是：采用某种测量设备和测量方法对实物模型进反求工程及创新设计反求工程及创新设计行测量，以获取实物模型的特征参数，将所获取的特征数据借助于计算机重构反求对象模型，对重建模型进行必要的创新改进、分析，进行数控编程并快速地加工出创新的新产品。反求工程技术不同于一般常规的产品仿制。采用反求
5、工程技术开发的产品往往比较复杂，通常由一些复杂曲面构成，精度要求也较高，若采用常规仿制方法难以实现，必须借助于如 cAD/cAE/cAM 等计算机辅助（cAx）技术手段。可以说，反求工程是计算机辅助技术的一种典型应用。2 反求对象类别从工程技术角度看，反求对象可概括为实物反求、软件反求和影像反求三类。(1）实物反求实物反求以产品实物为依据，对产品的设计原理、结构、材料、精度、制造工艺、包装、使用等方面进行分析研究和再创造，最终研制出与原型产品相近或更佳的新产品。实物反求对象可以是整个产品，也可以是部件、组件或零件。反求内容则包括功能反求、性能反求及方案、结构、材质、精度、使用规范等众多方面的反
6、求。实物反求有两项基本工作，即反求分析与反求设计。其一般过程如图 2,30 所示。图 2 一 30 实物反求设计过程在实物反求中，应做好试验、测绘与反求设计等工作。l）试验实物反求首先要在实物未解体前对其功能、性能等进行全面试验考核，测试其各项功能和性能指标。为此，要注意以下各点：根据样本、使用说明书，摸清有哪些功能指标。根据试验要求，制定试验条件和试验规范，并选择合适的试验台及相应测试仪器仪表。对试验结果数据进行科学处理。若试验中出现故障，应进行详细记录和深人分析，为排除故障或改进设计提供依据。2）测绘包括：尺寸、精度。一般产品出厂前要经磨合试验和性能试验。试验后零件会有变化，要反求其原始状
7、态（装配前的状态）的形状、尺寸、精度。无损检测。对样机的零件测绘一般不允许有损伤，因此应尽量使用无损检测方法，如采用激光技术、材料转移的光谱技术、三维全息照相显示技术等。曲线和曲面拟合。对于具有复杂曲面的实物，一般需利用三维测量和 CAD 技术进行反求。其测量过程主要解决的问题是零件原型的数字化。目前，通常采用三坐标测量机（CMM）或激光扫描等测量装置获取零件原型表面点的三维坐标值。3）反求设计指测绘后对关键问题的分析和反设计问题。测绘完以后要将被测对象变成完整图纸或模型，还需根据对零件工作特性的分析，进行各种标注和提出技术要求。对于特殊形状的曲线（例如高次方凸轮轮廓、各种过渡曲线等）应通过优
8、化设计反求其科学依据。对于箱体等结构复杂件应采用有限元法去反求其强度和刚度等。反求设计中重建具有复杂曲面零件原型的 CAD 模型是一件困难的工作。首先，需要从测量数据中提取零件原型的几何特征，即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获取零件原型所具有的设计与加工特征。然后，将分割后的三维数据在 CAD系统中进行表面模型拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原型表面的 CAD 模型。目前商品化 cAD 软件中，已有一些用于反求工程的应用模块（如Pro/Engineering、Unigraph、Cimatron 等），将测量数据按其规定的格式输人后，即可自动生成各种曲面。
9、对于重建的 CAD 模型还需进行检验与修正，即根据获得的 CAD 模型重新加工出样品，以检验重建的 CAD 模型是否满足精度或其他试验性能指标。对不满足要求者，重复以上过程，直至达到零件的设计要求。(2）软件反求产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。以技术软件为主要研究对象的反求工程称为软件反求。软件反求的目标是通过对已有技术软件的分析和研究，提高对相关产品的设计和制造能力。其基本组成部分有产品规划反求、原理方案反求和结构方案反求等，如图 2 一 31 所示。反求的一般步骤为：l）分析需求，明确反求设计目的。2）对反求对象进行功能
10、分析与结构分析。3）调研国内外同类产品，从中吸取有益成分。4）分析并验证产品性能参数。5）撰写反求设计论证书。(3）影像反求既无实物，又无技术软件，而仅有产品的相片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面等，要从中通过构思、想象来反求，称为影像反求。影像反求难度最大，其本身就是创新过程，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。图 2 一 31 软件反求基本内容影像反求的主要内容包括方案分析和结构分析。如图 2 一 32 所示。其中方案分析的重点是技术分析和经济分析，而结构分析的主要任务是确定产品
11、的结构组成及结构材料。影像反求的基本步骤如下：l）广泛搜集参考资料。2）对参考资料进行多方面的分析、研究。3）产品方案设计。4）方案评价。5）反求技术设计。图 2 一 32 影像反求的基本内容3 反求工程的关键技术(l）反求对象的分析在反求工程中，反求工程的关键在于根据所提供的反求样本信息，获取反求对象的功能、原理、材料性能、加工工艺等。其具体内容包括：l）反求对象的功能及原理分析分析了解样本所具有的功能特征，以及实现这些功能特征的原理和方法，求取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。2）反求对象的材料分析包括材料成分的分析、材料组织结构分析和材料的性能检测等内容。
12、材料成分分析有火花鉴别法、原子光谱分析法、红外光谱分析法、化学分析、微探针分析等；材料结构分析有材料的组织结构、晶体缺陷及晶相关系等内容；材料性能检测主要是检测材料的力学性能和磁、电、声、光、热等物理性能。3）反求对象的加工及装配工艺分析通常，可采用反判法编制工艺规程，即以反求对象的尺寸精度、形位公差和表面质量等技术要求为依据，查明设计基准，分析关键工艺，优选加工工艺方案，并依次由后向前递推加工工序，编制工艺规程。4）反求对象的精度分析分析阶段的重要内容是对反求对象的精度分析，它包括反求对象形体尺寸的确定、精度分配等。在进行精度分配时，需考虑产品的精度指标、技术条件和工作原理，并且综合考虑企业
13、的生产技术水平、产品的经济性和国家技术标准等因素。在进行精度分析时，可按如下的步骤进行：明确产品的精度指标；综合考虑理论误差和原理误差；尽可能分析所有误差源，确定总的精度指标；在产品反求开发全过程中，根据实际生产情况对所作的精度分配进行调整和修改。5）反求对象造型的分析它综合运用工业美学、产品造型原理、人机工程学原理等，对产品的外形、色彩、质地等进行分析，以提高产品的外观质量、舒适性及方便性。例如：在数控系统的设计中，要考虑数控系统的显示器布局、图形显示及汉字显示方式，操作面板的造型及色彩、功能按键的造型、色彩及布局等问题。6）反求对象的系列化、模块化分析在实施反求工程的过程中，以系列化和模块
14、化的思维对反求对象进行分析，有利于产品的多品种、多规格、通用化设计，有利于提高产品质量，降低生产成本，从而提高产品的市场竞争力。例如，考虑所开发的产品是否系列化，是否是系列型谱中具有代表性的产品，产品的模块化程度如何等。(2）反求对象的几何参数采集反求对象的几何参数采集是反求工程的又一个关键环节。根据反求对象信息源（实物、软件或影像）的不同，确定反求对象形体尺寸的方法也不尽不同。目前，实物反求中的形体几何参数测量方法主要有如图 2 一 33 所示的几种形式。图中所述的破坏性测量主要是自动断层扫描法，该技术是采用逐层去除材料与逐层扫描相结合的方法，其特点是可以测量内轮廓数据，测量精度较高，片层最
15、小可达 o.olmm。图 2 一 33 形体几何参数坐标测量的基本方法非破坏性测量又可分为接触式和非接触式两大类。接触式测量是通过传感测量头与样件的接触而记录样件表面的坐标位置，可以细分为点接触式和连续式数据采集方法。l）接触式测量的精度一般较高，但测量速度效率较低。应用较广泛的接触式测量设备是坐标测量机（CMM）。2）非接触式测量主要指基于光学、声学、磁学等原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点的过程。例如：激光测距法是将激光束的飞行时间转化为被测点与参考平面之间的距离；图像分析法是利用一点在多个图像中的相对位置，通过视差计算距离，从而得到点的空间坐标；激光三角形法是利
16、用光源与影像感应装置（如摄像机）之间的位置与角度来推算点的空间坐标；结构光测距法是将如条形光、栅格光等一定模式的光投影到被测物体表面，并捕获光被曲面反射后的图像，通过对图像的分析获得三维点的坐标。各种测量方法有各自的优点和缺点，但从总体上讲，基于光学的坐标测量设备在精度及测量速度上具有明显优势，因而在目前的反求工程中应用最为广泛。(3）模型重构技术所谓模型重构，就是根据所采集的样本几何数据在计算机内重构样本模型的技术。坐标测量技术的发展使得对样本的细微测量成为可能。样本测量数据十分庞大，常达几十万甚至上百万个数据点，海量的数据给数据处理以及模型重构带来了一定困难。按照所处理的数据对象的不同，模
17、型重构可分为有序数据的模型重构和散乱数据的模型重构。有序数据是指所测量的数据点集不但包含了测量点的坐标位置，而且包含了测量点的数据组织形式，如按拓扑矩形点阵排列的数据点，按分层组织的轮廓数据点，按特征线或特征面测量的数据点等。散乱数据的模型重构不依赖于数据的特殊组织方式，可以对任意测量数据进行处理，扩大了所能解决的问题域，具有更强的通用性。因此，海量散乱数据的模型重构更为人所关注。通常，样本模型重构的基本步骤为：l）数据预处理。测量机输出的数据量极大，并包含一些噪声数据。数据预处理就是要对这些原始数据进行过滤、筛选、去噪、平滑和编辑等操作，使数据满足模型重构的要求。2）网格模型生成。测量数据经
18、过预处理后，就可以采用适当的方法生成三角网格模型。根据各种测量设备所输出数据点集的特点，开发配套的专用模型重构软件；也可以采用通用的反求工程模型重构软件生成网格模型。3）网格模型后处理。基于海量数据所构造的三角网格模型中的小三角片数量较大，常有几十万甚至更多。因此，在精度充许的范围内，有必要对三角网格模型进行简化。此外，由于各种原因，模型重构所得到的三角网格面往往存在一些孔洞、缝隙和重叠等缺陷，还需对存在问题的三角网格面进行修补作业。经过上述步骤，就可以在计算机中得到重构的样本零件模型。目前，已有商品化的反求工程软件可供用户进行反求模型的重构。如：美国 m 一 AGEWARE 公司的 SURF
19、ACER，英国 DEICAM 公司的 CopyCAD、PRO/E 中的 PRO/ICEM SURF、PRO/DE-slcNER，以色列 cIMATRoN 公司的 REvERsE ENGINEERING 等。在国内也有不少单位，如浙江大学、西安交通大学等开展了反求工程的研究与开发，并取得一定的成果，如浙江大学推出了 RE 一 S0F T 反求软件系统。上述商品化软件系统具有较强的数据处理和模型重构功能。CopyCAD 是英国 DEICAM 公司 CAD/CAM 集成系统 Powersolution 中的逆向工程专业系统。DEICAM 公司 1968 年起源于英国剑桥大学，历经 30 多年的发展，
20、C 叩 yCAD 是在世界著名的 CAD/cAM 产品 DucT 的基础上发展起来的基于 window。环境、支持多语言平台的专业逆向工程软件。在世界范围内拥有广泛的用户群，国外有 Boeing、GM、Fo 记、Toyota，国内有上海汽车研究所、西安交通大学 RP 中心、清华大学 RP 中心、东风汽车集团有限（责任）公司冲模厂等单位。该系统以双模型输出，在逆向工程领域创新性地发展了局部逆向工程技术，解决了逆向工程中繁琐、耗时的问题，使逆向工程的时间缩短近 70。系统易学易用，功能齐全。CoPyCAD的模块组成主要有：逆向工程工具 veryfy（对 CAD 模型与测量数据的误差分析，包括均方差、最大误差、误差报告、误差云图等）；STL 模型系统 TriFix（专门为快速原型开发的功能，对 STL 模型进行缺陷分析，自动修复满足 RP 设备的使用要求）；曲面模型生成工具 wraP（将 Deicam 的艺术浮雕粘在 cAD 模型上，实现精确造型与艺术造型的结合）。c 叩 ycAb 的工作流程如图 2 一 34 所示。图 2 一 34C 叩 yCAD 的工作流程图案例：反求工程的应用l）手机模型的反求（图 2 一 35）摩托车油箱模型的反求（图 2 一 36）和塑料制品模型的反求（图 2 一 37）。图 2 一 35 手机模型的反求