第六章逆向工程

汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型第六章逆向工程与快速原型6.1逆向工程概述6.2逆向工程系统组成及工作原理6.3逆向工程应用实例6.4快速原型与快速模具本章小结汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型6.1逆向工程概述1.正向工程一般工业产品的开发是从确定预期功能与规格目标→构思产品结构→进行每个零部件的设计→制造→检验→装配→性能测试等程序完成整个开发过程，每个零部件都有设计图纸，按确定的工艺文件加工。这种开发模式称为预定模式(PrescriptiveModel)，此类开发工作称为正向工程(ForwardEngineering)或正向设计。产品正向开发的流程如图6-1所示。图6-1正向工程开发流程图汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型2.逆向工程随着计算机和网络技术的发展，信息高速公路加快了科技信息的传播速度，产品的生命周期越来越短，人们追求完美与个性化的消费需求使产品品种越来越多，批量越来越小，企业间的竞争不再只是质量与成本上的竞争，而更重要的是时间的竞争。以已有产品为基准点进行设计已经成为当今的一条设计理念。如何博采众家之长，充分吸收和利用先进的设计制造成果，使产品设计立足于更高的起点，是世界各国都十分关注的问题。逆向工程技术在此背景下受到人们的关注。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型逆向工程，也称为反求工程，英文是reverseengineering逆向技术包括影像逆向、软件逆向及实物逆向等三方面。目前相对最多人研究的是实物逆向技术。它是研究实物CAD模型的重建和最终产品的制造。狭义来说，三维逆向技术是将实物模型数据化成设计、概念模型，并在此基础上对产品进行分析、修改及优化等技术。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型(1)实物逆向：它是在已有产品实物的条件下，通过测绘和分析，从而再创造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质等多方面的逆向。实物逆向的对象可以是整机、零部件和组件。(2)软件逆向：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。软件逆向有三类：既有实物，又有全套技术软件；只有实物而无技术软件；没有实物，仅有全套或部分技术软件。(3)影像逆向：设计者既无产品实物，也无技术软件，仅有产品的图片、广告介绍或参观后的印象等，设计者要通过这些影像资料去构思、设计产品，该种逆向称为影像逆向。目前，国内外有关逆向工程的研究主要集中在几何形状的逆向，即重建产品实物的CAD，称为“实物逆向工程”。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型逆向工程通常是对某一实物样件或模型(称为零件原型，如汽车的外形、鞋楦模等)进行仿制和创新。目前，针对已有样件(尤其是包含有复杂不规则自由曲面的样件)，可利用三维数字化测量仪器准确、快速地测量出产品外形数据，在逆向软件中构建曲面模型，再输入CAD/CAM系统作进一步编辑、修改，由CAM生成刀具NC代码(加工路径)，送至数控机床(CNC)制作所需模具，或者由快速成型机(RP)将样品模型制作出来。其流程如图6-2所示。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型逆向工程主要包括以下四个步骤：(1)零件原型的数字化：利用三坐标测量机或激光扫描仪等测量装置获取零件原型表面各点的三维坐标值。(2)零件原型的特征识别与提取：按测量数据的几何属性进行分割，采用几何特征匹配的方法获取零件原型所具有的设计与加工特征。(3)零件原型CAD模型的重建：将三维测量数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交、裁剪和拼接，获取零件原型的CAD模型。(4)CAD模型的检验与修正：根据重构的CAD模型重新测量或加工出样品等方法，检验构建的CAD模型是否满足精度要求，对不满足要求者，重复以上的模型重建过程，直至达到零件的设计要求。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型实物测量反求技术起始于用油泥模型设计汽车、摩托车外形，现已成为模具制造业、玩具业、游戏业、电子业、制鞋业、医学工程等行业产品造型设计的重要工具，广泛地用于产品改进、创新设计，特别适合具有复杂曲面外形的产品。该技术极大地缩短了产品的开发周期，提高了产品精度。据国外产品设计统计，正向设计仅占40%以内，而逆向工程已占60%以上。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型承载式车身汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型•逆向工程产品开发模式逆向设计将实现从概念设计或样机到产品完整设计信息的快速获取。(1)逆向设计在实际的设计工程中，设计师对所设计产品的构思，往往难于直接在计算机或图纸上表达。此时首先可做成理想外形的泥模或术模，然后利用二维测量系统进行快速测量，把模型的尺寸、形状数据转化为二维CAD数据。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型(2)仿真制造在解剖和仿真制造国内外先进样机或失去供货渠道的关键零件时，由于形状复杂、精度很高，很难用人工精确测绘，可先用逆工程技术对零件进行精确测量，然后输出CNC代码，即可仿制出该零件。(3)设计检验使用逆向工程技术可以对零件进行整体测量，并将测量数据转换成CAD数据，在计算机内可以对测量数据和设计数据进行检验分析。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型•逆向工程设计开发系统的基本方法逆向工程主要通过以下步骤来实现:数据采样，数据分析，数据恢复及修补，原始部件的分解，模型信息处理及CAD模型的建立，部件装配，产品功能模拟，再设计等。(1)数据采样数据采样是逆工程的最基木的步骤，它从己有的实物获取产品数据。通常采用二维激光扫描仪，二维数字化仪，物体多角度照片等数字化办法来快速、准确地获取数据。通过二维图形处理技术将采样数据以二维图形的方式显示出来，得到直观简略的产品结构外形。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型(2)数据分析分析原来物体的结构。物体结构包括物体的逻辑结构、物体的功能结构、物体包含的标准件、材料构成、物体表面的颜色分布、各个部件的几何尺寸、不同部件之间的装配方式及不同部件之问的几何尺寸约束等。为此，要建立产品几何特征识别及产品组件结构的自动识别分解或交互识别分解系统。(3)数据的恢复和修补在采样过程中，丢失物体的某些细节是不可避免的。通过对采样数据的二维显示及结构分析，能够发现哪些数据可能被丢失因此，数据修复是逆工程的一个必不可少的步骤数据。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型(4)原始部件的分解分解是将一个物体分解成若干个标准部件的过程。在分解过程中，必须区分每一部件的尺寸位置，不同部件之间的连接关系及连接方式，以及物体表面该如何分割。(5)模型信息处理及CAD模型的建立构造物体的二维CAD模型，这个模型是最基本的创新设计模型平台。在此基本平台上，设计人员可交互构造特征线，自动识别产品，过渡圆角、尖边等特征，提供多种物体表面编辑技术，研究曲面整体变形技术，实现CAD模型动态修改。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型(6)标准化部件库的建立分析所涉及的各类产品结构的基础上，研究产品的基本组成单元，包括它们的形状尺寸，建立标准件库。有了标准件库以后，产品设计过程就可简化为将已有的物体分解至最小的单元，然后用标准部件来替换这些基本单元。为了对设计进行修改，只需要在计算机虚拟环境中对物体进行重新组装。(7)产品功能模拟在虚拟环境中对产品的各项功能进行模拟在这个过程中，可以事先建立产品评价系统，让计算机自动判断产品设计的优劣；或通过交互方式，以设计师的经验，通过观察局部细节，可以知道物体的尺寸大小是否协调，物体的表面是否光顺，以及物体外表面的颜色纹理是否满足设计的要求。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型(8)再设计逆向工程的最终目的是设计新产品，通过以上步骤获取的产品的几何数据及产品的功能、结构知识，基本上再现原有的产品，为了在此基础上设计新产品，设计人员可以在一个包含产品逆向工程及创新设计软件环境中，对原有的模型进行适当的调整和修改。这些修改主要包括功能上的，布局上的，以及外形方面的修改。在修改过程中加入设计人员新的设计思想，以完成新的设计方案。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型•逆工程技术的评价标准(1)采样数据的完整性(2)尽可能短的设计周期(3)尽可能低的设计成本(4)标准部件的利用率(5)产品质量优良汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型逆向工程的应用途径：(1)尽管计算机辅助设计技术(CAD)发展迅速，各种商业软件的功能日益强大，但目前还无法满足一些复杂曲面零件的设计需要，还存在许多使用油泥或泡沫模型代替CAD设计的情况，最终需要运用逆向工程将这些实物模型转换为CAD模型。(2)外形设计师倾向使用产品的比例模型，以便于产品外形的美学评价，最终可通过运用逆向工程技术将这些比例模型用数学模型表达，通过比例运算得到美观的真实尺寸的CAD模型。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型(3)由于各相关学科发展水平的限制，对零件的功能和性能分析还不能完全由CAE来完成，因此往往需要通过实验来最终确定零件的形状，如在模具制造中，经常需要通过反复试冲和修改模具型面，方可得到最终符合要求的模具。若将最终符合要求的模具测量并反求出其CAD模型，在下次制造该模具时就可运用这一模型生成加工程序，便可大大减少修模量，提高模具生产效率，降低模具制造成本。(4)艺术品、考古文物的复制。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型(5)人体中的骨头和关节等的复制及假肢制造。(6)特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需首先建立人体的几何模型。(7)在快速原型制造(RPM)中，可以方便地对快速原型制造的原型产品进行快速、准确地测量，找出产品设计的不足，进行重新设计，经过反复迭代可使产品更趋完善。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型逆向工程与传统正向设计制造过程是截然不同的设计流程。在逆向工程中，按照现有的零件原型进行设计生产，零件具有的几何特征与技术要求都包含在原型中，而正向设计是根据零件最终所承担的功能以及各方面的影响因素进行从无到有的设计。因此，从概念设计出发到最终形成CAD模型的传统设计是一个确定的明晰过程，而通过对现有零件原型数字化后再形成CAD模型的逆向工程是一个推理、反复逼近的过程，具有功能导向、描述模式、系统仿造等特性。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型3.逆向工程的关键技术零件的数字化和计算机辅助反向建模(ComputerAidedReverseModeling，CARM)是逆向工程的两项关键技术。零件的数字化是指通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据。CARM通过对测量数据的处理，提取建模所需的有效数据，对零件进行曲面和实体造型，以得到原型的CAD模型。逆向设计是以产品为原型，通过大量的表面数据点来重构原型的，但由于不知道原来的设计意图，反向建模过程往往是被动的，设计的自由度较小，难度也就比正向设计大得多。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容：(1)新零件的设计，主要用于产品的改型或仿型设计。(2)已有零件的复制，再现原产品的设计意图。(3)损坏或磨损零件的还原。(4)数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较。逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递的重要而简洁途径之一。汽车产品数字化设计第六章逆向工程与快速原型•逆向工程技术实施的条件1.逆向工程技术实施的硬件条件在逆向工程技术设计时，需要从设计对象中提取三维数据信息。检测设备的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。目前，国内厂家使用较多的有英国、意大利、德国、日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。2.逆向工程技术实施的软件条件目前比较常用的通用逆向工程软件有Surfacer、Delcam、Cimatron以及Strim等的。这些系统对逆向设计中的实际问题进行