隨州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 賀 劍

基于逆向工程的產(chǎn)品技術(shù)應(yīng)用

隨州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 賀 劍

在工程技術(shù)人員的一般概念中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)從無(wú)到有的過(guò)程，即設(shè)計(jì)人員首先在大腦中構(gòu)思產(chǎn)品的外形、性能和大致的技術(shù)參數(shù)等，然后通過(guò)繪制圖紙建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將這個(gè)模型轉(zhuǎn)入到制造流程中，完成產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)制造周期。這樣的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程我們稱(chēng)為“正向設(shè)計(jì)”過(guò)程。逆向工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以認(rèn)為是一個(gè)“從有到無(wú)”的過(guò)程。簡(jiǎn)單地說(shuō)，逆向工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（包括設(shè)計(jì)圖紙或數(shù)字模型）的過(guò)程。通過(guò)數(shù)字化測(cè)量設(shè)備（如坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光測(cè)量設(shè)備等）獲取的物體表面的空間數(shù)據(jù)，需要利用逆向工程技術(shù)建立產(chǎn)品的三維模型，進(jìn)而利用CAM系統(tǒng)完成產(chǎn)品的制造。因此，逆向工程技術(shù)可以認(rèn)為是將產(chǎn)品樣件轉(zhuǎn)化為三維模型的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)和幾何建模技術(shù)的總稱(chēng)。

一、產(chǎn)品逆向工程概念與理論框架探討

從工程角度講，產(chǎn)品逆向工程必須有有效的工程方法和支持工具，從現(xiàn)有實(shí)物進(jìn)行反求設(shè)計(jì)也是產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)過(guò)程的求逆問(wèn)題。因此，產(chǎn)品正向工程的可操作性、過(guò)程可逆性以及有無(wú)有效的工程方法和支持工具，是產(chǎn)品逆向工程的基礎(chǔ)理論問(wèn)題。產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論的這種狀況決定了產(chǎn)品正向工程的可操作性差、無(wú)可逆性可言以及缺乏有效的（創(chuàng)新的）工程設(shè)計(jì)方法和支持工具。因此，現(xiàn)有反求工程限制于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的局部設(shè)計(jì)問(wèn)題，產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論研究成為產(chǎn)品正向和逆向工程的瓶頸問(wèn)題。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將抽象的工作原理具體化為某類(lèi)構(gòu)件或零部件，是設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的內(nèi)容。但是，現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品和零件結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，在結(jié)構(gòu)表達(dá)、結(jié)構(gòu)構(gòu)思過(guò)程描述等方面，成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作的巨大障礙。目前，對(duì)于具體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，甚至是簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，尚不能用可操作的構(gòu)思過(guò)程逐步描述?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)理論研究，無(wú)法滿足人類(lèi)有效積累和重用設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的愿望。分解重構(gòu)原理揭示了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的本質(zhì)特點(diǎn)，并提供了強(qiáng)大的可操作創(chuàng)新設(shè)計(jì)自動(dòng)化理論研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)指導(dǎo)。廣義定位原理根據(jù)人類(lèi)對(duì)人造物控制的本質(zhì)要求，研究發(fā)現(xiàn)人造物相對(duì)其他客體的位置確定性是一個(gè)普遍要求，成為人造物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循的基本原理之一，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自動(dòng)化鋪平了道路。生物基因工程的發(fā)展對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)產(chǎn)生了初步影響，產(chǎn)品之間的知識(shí)遺傳和傳遞體現(xiàn)了產(chǎn)品信息基因特征，產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過(guò)程表明有產(chǎn)品基因存在，產(chǎn)品生長(zhǎng)型設(shè)計(jì)找到了產(chǎn)品內(nèi)在的可操作基因。進(jìn)一步的產(chǎn)品基因工程研究表明，產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程研究的基礎(chǔ)理念可以像生物基因那樣存在，人造產(chǎn)品存在設(shè)計(jì)基因和實(shí)用的可操作生長(zhǎng)過(guò)程，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的全生命周期是可以認(rèn)識(shí)和控制的過(guò)程。

二、逆向工程分類(lèi)

從廣義講，逆向工程可分以下三類(lèi)。

1. 實(shí)物逆向。顧名思義，它是在已有實(shí)物條件下，通過(guò)試驗(yàn)、測(cè)繪和分析，進(jìn)行再創(chuàng)造。其中包括功能、性能、方案、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、精度、使用規(guī)范等多方面的逆向。實(shí)物逆向?qū)ο罂梢允钦麢C(jī)、部件、組件和零件。

2. 軟件逆向。產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設(shè)計(jì)書(shū)、使用說(shuō)明書(shū)、圖紙、有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊(cè)等，均稱(chēng)為技術(shù)軟件。軟件逆向中有三類(lèi)情況。

（1）既有實(shí)物，又有全套技術(shù)軟件。

（2）有實(shí)物而無(wú)技術(shù)軟件。

（3）無(wú)實(shí)物，僅有全套或部分技術(shù)軟件。

3. 影像逆向。無(wú)實(shí)物，無(wú)技術(shù)軟件，僅有產(chǎn)品相片、圖片、廣告介紹、參觀印象和影視畫(huà)面等，要通過(guò)構(gòu)思、想象來(lái)逆向，稱(chēng)為影像逆向，這是逆向?qū)ο笾须y度最大的。影像逆向本身就是創(chuàng)新過(guò)程，目前還未形成成熟的技術(shù)。一般要利用透視變換和透視投影，形成不同透視圖，從外形、尺寸、比例和專(zhuān)業(yè)知識(shí)角度，去琢磨其功能和性能，進(jìn)而分析其內(nèi)部可能的結(jié)構(gòu)。

三、逆向工程技術(shù)流程

1. 逆向工程從一個(gè)物理零件或模型開(kāi)始決定下游工程。

2. 點(diǎn)處理過(guò)程。主要包括多視點(diǎn)云的拼合、點(diǎn)云過(guò)濾、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)和點(diǎn)云分塊等。

3. 曲線處理過(guò)程。決定所要?jiǎng)?chuàng)建的曲線類(lèi)型。曲線可以設(shè)計(jì)得與點(diǎn)的片段相同，或讓曲線更光滑些；由已存在的點(diǎn)創(chuàng)建出曲面；檢查或修改曲線，檢查曲線與點(diǎn)或其他曲線的精確度、平滑度與連續(xù)的相關(guān)性。

4. 曲面處理過(guò)程。決定所要?jiǎng)?chuàng)建的曲面類(lèi)型，可以選擇創(chuàng)建的曲面以精確為主或以光滑為主，或兩者居中；由點(diǎn)云或曲線創(chuàng)建曲面；檢查或修改曲面，檢查曲面與點(diǎn)或其他曲面的精確度、平滑度與連續(xù)的相關(guān)性。

5. 誤差分析。應(yīng)該考慮被測(cè)物對(duì)機(jī)構(gòu)引起的綜合軌跡誤差、逆向工程設(shè)計(jì)所依據(jù)的數(shù)據(jù)值存在的測(cè)量誤差、設(shè)計(jì)中的被測(cè)物存在的加工誤差、設(shè)計(jì)中的曲線擬合存在的擬合誤差等。

四、逆向工程技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

1. 對(duì)產(chǎn)品外形美學(xué)有特別要求的領(lǐng)域，由于設(shè)計(jì)師習(xí)慣于依賴(lài)3D實(shí)物模型對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，因此產(chǎn)品幾何外形通常不是應(yīng)用CAD軟件直接設(shè)計(jì)的，而是首先制作全尺寸的木質(zhì)或黏土模型或比例模型，然后利用逆向工程技術(shù)重建產(chǎn)品數(shù)字化模型。

2. 當(dāng)設(shè)計(jì)需經(jīng)實(shí)驗(yàn)才能定型工件模型時(shí)，通常采用逆向工程的方法。例如航天航空、汽車(chē)等領(lǐng)域，為了滿足產(chǎn)品對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)等的要求，需進(jìn)行風(fēng)洞等實(shí)驗(yàn)，建立符合要求的產(chǎn)品模型。此類(lèi)產(chǎn)品通常是由復(fù)雜的自由曲面拼接而成的，最終借助逆向工程，轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的三維CAD模型及其模具。

3. 在模具行業(yè)，常需反復(fù)修改原始設(shè)計(jì)的模具型面?？蓪?shí)物通過(guò)數(shù)據(jù)測(cè)量和處理產(chǎn)生與實(shí)際相符的產(chǎn)品數(shù)字化模型，對(duì)模型修改后再進(jìn)行加工，將顯著提高生產(chǎn)效率。因此，逆向工程在改型設(shè)計(jì)方面可發(fā)揮正向設(shè)計(jì)不可替代的作用。

4. 逆向工程也廣泛用于修復(fù)破損的文物、藝術(shù)品或缺乏供應(yīng)的損壞零件等。

5. 借助于工業(yè)CT技術(shù)，逆向工程不僅可以產(chǎn)生物體的外部形狀，而且可以快速發(fā)現(xiàn)、定位物體的內(nèi)部缺陷。

五、結(jié)論

產(chǎn)品逆向工程概念理論上有必要把實(shí)物反求階段擴(kuò)展到人類(lèi)設(shè)計(jì)思維的反求高度。設(shè)計(jì)自動(dòng)化理論，特別是產(chǎn)品基因工程，是產(chǎn)品逆向工程的理論基礎(chǔ)，逆向工程的產(chǎn)品技術(shù)應(yīng)用在工程領(lǐng)域中具有重要價(jià)值。