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)計與制造均以整個制造過程作為研究主線?，F(xiàn)代化的工業(yè)制造手段是工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計制造的根本，之后始于數(shù)字化技術(shù)設(shè)計與工程化架構(gòu)，以及創(chuàng)建立體的三維的設(shè)計平臺與制作平臺。

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

中圖分類號：TP274 文獻標(biāo)識碼：A

數(shù)字化時代已經(jīng)來臨，工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)制造改革勢在必行，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)一個地區(qū)、一個國家的區(qū)域經(jīng)濟想要高質(zhì)量發(fā)展，并帶動整個地區(qū)與國家經(jīng)濟發(fā)展，就需要根據(jù)市場需求調(diào)整企業(yè)架構(gòu)、產(chǎn)品架構(gòu)，從而影響整個區(qū)域的職業(yè)教育結(jié)構(gòu)。工業(yè)結(jié)構(gòu)的改變在一定程度上影響了國民經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)，對國民經(jīng)濟發(fā)展起到促進作用。以發(fā)展的眼光來看，工業(yè)產(chǎn)品在設(shè)計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)計體系，以期助力工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。

1 剖析工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計現(xiàn)狀

從整個工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)來看，機械制造已經(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，伴隨國民經(jīng)濟水平的提高，各類工業(yè)產(chǎn)品需求缺口也在逐漸擴大。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，就需要將諸多力量置于機械工業(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，國家就大力搞活制造產(chǎn)業(yè)，提供多項政策支持與技術(shù)支持，促使其行業(yè)發(fā)展迅速轉(zhuǎn)型與調(diào)整。隨著我國工業(yè)發(fā)展步伐的不斷加快，機械制造產(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，國家工業(yè)產(chǎn)值同比增長16%，使得我國的機械生產(chǎn)在國際上也名列前茅?，F(xiàn)階段，正是機械制造業(yè)發(fā)展的蓬勃時期，機械制造水平的提高將會進一步促進我國經(jīng)濟的發(fā)展，新的機械制造技術(shù)引起了眾多研究學(xué)者的關(guān)注[1]。研究學(xué)者們緊跟時代趨勢，及時關(guān)注國內(nèi)外機械制造技術(shù)的發(fā)展動向，并借助先進的信息技術(shù)，如CAD一體化技術(shù)，不斷更新機械制造方法，使得機械產(chǎn)品變得更加智能。我國的制造業(yè)發(fā)展迅猛，目前已經(jīng)不再是僅僅停留在重視機械制造產(chǎn)品的數(shù)量，更加注重的是產(chǎn)品的質(zhì)量。機械制造與計算機的結(jié)合，使得產(chǎn)品變得更加集成化、小型化和數(shù)字化，利用自動化技術(shù)、仿真技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)和先進的集成技術(shù)等，機械制造產(chǎn)品將會更加微型化與智能化，更加符合人們和市場的需求。

2 逆向工程概念介紹

傳統(tǒng)的科研設(shè)計人員通常通過理論計算、外觀設(shè)計及模型設(shè)計等步驟實現(xiàn)產(chǎn)品或模型的制造，但在整個工業(yè)領(lǐng)域，很多時候無法事先得到產(chǎn)品的精細數(shù)據(jù)，科研人員往往需要根據(jù)產(chǎn)品實物或模型本身來計算其三維模型，這就產(chǎn)生了逆向工程。逆向工程是指根據(jù)現(xiàn)有實物通過一系列測量和計算方法進行反向數(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，并通過反復(fù)修改與檢查，建立該實物的三維模型，繪制該產(chǎn)品的圖紙，最終實現(xiàn)產(chǎn)品的制造[2]。

逆向工程技術(shù)的主要操作對象為樣品實物或數(shù)據(jù)，科研人員需要根據(jù)樣品實物與內(nèi)部數(shù)據(jù)實現(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)在實現(xiàn)較為復(fù)雜和難以精確表達形狀、使用未知方法構(gòu)建的樣品等場合技術(shù)優(yōu)勢明顯，最后在計算機端生成同樣類型和大小的器件。逆向技術(shù)經(jīng)過近些年來的發(fā)展，其研究對象已經(jīng)從原來的實物樣品研究發(fā)展到包含軟件類、影像類產(chǎn)品或資料的重建。

逆向工程的研究內(nèi)容主要包含以下幾個方面：

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

（2）了解原產(chǎn)品實現(xiàn)的方案，每種產(chǎn)品的實現(xiàn)都是按照一定的技術(shù)要求，確定實現(xiàn)方案，完成產(chǎn)品設(shè)計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，可以進一步了解功能目標(biāo)的確定原則，對產(chǎn)品的改進設(shè)計有極大幫助。

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

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

（5）選擇合適的精度評價指標(biāo)，實現(xiàn)產(chǎn)品的精度要求，這是逆向工程的難點之一。通過測量，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，通過一系列測量、光譜分析等試驗方法，對材料的物理性能、化學(xué)成分、熱處理等情況進行全面鑒定，確定合適的生產(chǎn)材料。

（7）測試產(chǎn)品的工作性能，根據(jù)樣品需求進行試驗測定和反復(fù)計算，了解產(chǎn)品的設(shè)計準(zhǔn)則和設(shè)計規(guī)范，并提出改進措施。

3 逆向工程的實現(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)實物實現(xiàn)產(chǎn)品至三維模型的反向計算，該技術(shù)無論是在工業(yè)領(lǐng)域還是醫(yī)用、軍用等其他領(lǐng)域都具有重要地位。實現(xiàn)逆向工程主要包含以下3個方面。

3.1 數(shù)據(jù)測量與獲取

實現(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，沒有精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)測量無法還原出產(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)獲取方法使用時間較久，是相對傳統(tǒng)的一種數(shù)據(jù)獲取方法，該方法利用測量工具去實際接觸測量待測實物或產(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，不正確的使用測量工具會帶來較大的誤差;其次，該方法可能由于器件的角度和測量工具角度的差異，帶來一定程度的誤差，該方法較為耗時，可能會影響任務(wù)進度，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸發(fā)展為基于電子系統(tǒng)的接觸式測量。

非接觸式數(shù)據(jù)獲取方法是較為先進也比較省時省力的方法，典型的非接觸式方法主要有投影法、掃描法等。該方法對探頭的質(zhì)量要求較高，能夠在短時間內(nèi)探測到零件的豐富信息，節(jié)省人力物力，但是該方法容易受表面反射的影響，測量精度是相對較低的，在難接觸到物體表面時，可以使用此方法。不同的測量方法對應(yīng)不同的工業(yè)需要，在實際產(chǎn)品實現(xiàn)中，應(yīng)該根據(jù)需求對比選擇合適的測量方法。

在數(shù)據(jù)得到后，不能直接用于計算，原因是測量數(shù)據(jù)可能受噪聲等外界影響，需要進一步的數(shù)據(jù)處理。例如，使用數(shù)據(jù)平滑技術(shù)去除噪聲，進行數(shù)據(jù)的標(biāo)定等。由于測量設(shè)備在測量時很難保持同一角度，不同形狀的零件也會獲得不同角度的數(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)，實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的定位。最后還要根據(jù)測量數(shù)據(jù)進行判斷，選擇相應(yīng)的評價指標(biāo)計算獲取數(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。很多研究者會把逆向工程技術(shù)與CAD方法混淆，但實際上二者并不是完全一樣的，逆向工程技術(shù)可以利用CAD模型實現(xiàn)器件的三維建模，也可以利用其他軟件實現(xiàn)模型的建立，如CATIA等。在實際選擇時，應(yīng)該根據(jù)需求，選擇合適的建模軟件，利用好開源庫，實現(xiàn)模型的高效建立。模型的重建是逆向工程的關(guān)鍵，現(xiàn)階段越來越多的新技術(shù)能夠幫助工業(yè)產(chǎn)品實現(xiàn)更好的重建。重建模型后，還要根據(jù)實物實現(xiàn)模型的修正，測試其精度是否滿足工業(yè)要求，對不滿足的模型應(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為設(shè)計文件的丟失、樣品的重新設(shè)計等，例如，在木制品、船舶行業(yè)等，通過雕刻機或機床實現(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)有零件進行技術(shù)實現(xiàn)的還原，還能夠在產(chǎn)品或零件需要更新或新型號研制時起到極其關(guān)鍵的作用。由于工業(yè)產(chǎn)品都是不斷被消耗的，長年累月使用的零件產(chǎn)品經(jīng)常會出現(xiàn)損壞，逆向工程能夠幫助零件進行修復(fù)，是零件修復(fù)或者再次開發(fā)的技術(shù)保障。

4.2 工業(yè)檢測

逆向工程還能對產(chǎn)品或零件進行誤差檢測，根據(jù)實際產(chǎn)品與三維模型數(shù)據(jù)之間的誤差，實現(xiàn)產(chǎn)品的檢測與分析。通過該技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的自動化精準(zhǔn)測量。

4.3 零件備用

逆向工程技術(shù)能夠根據(jù)實物生產(chǎn)出相同規(guī)格的產(chǎn)品，這項技術(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)品用于飛機制造、船舶零件制造等。

5 結(jié)語

逆向工程技術(shù)毫無疑問為工業(yè)產(chǎn)品的制造帶來巨大作用，該項技術(shù)能夠在僅有零件實物時反向推算出模型數(shù)據(jù)，通過一定的數(shù)據(jù)獲取手段，采用先進的數(shù)據(jù)處理方法，使用三維模型軟件設(shè)計出待測實物的三維模型，實現(xiàn)產(chǎn)品到數(shù)據(jù)的計算，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。在整個工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用價值極高，并且利用自動化和信息化技術(shù)，促進了機械制造業(yè)的發(fā)展，使得機械產(chǎn)品的制造變得更加智能。工業(yè)產(chǎn)品也因為逆向工程技術(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)計人員能夠快速滿足用戶的需求。未來，逆向工程技術(shù)一定會繼續(xù)發(fā)展，更好地為工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品服務(wù)，逆向工程技術(shù)為我國工業(yè)制造領(lǐng)域帶來了全新的發(fā)展機遇，但該技術(shù)仍然應(yīng)該結(jié)合具體應(yīng)用解決現(xiàn)階段存在的問題，向更高效更智能的方向發(fā)展。

參考文獻

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