关于反求技术的心得

关于反求技术的心得一反求技术在现代设计理论中的地位反求技术又称为逆向工程（RE）技术，二战结束后,日本急于恢复和振兴经济，在60年代初提出科技立国方针:“一代引进,二代国产化,三代改进出口,四代占领国际市场”,其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。为要国产化的改进,迫切需要对别国产品进行消化、吸收、改进和挖潜。这就是反求设计(InverseDesign)或反求工程(InverseEn-gineering),这两者是同一内涵,仅是不同国家的不同提法。发展到现在,己成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段或重要对策,反求工程的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。反求思维作为一门学问去研究,则是60年代初出现的。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、技术的继承和应用借鉴。本文对现代设计理论与方法中的反求工程进行简要介绍，为以后样件的仿制、样件的修改、模具制造、旧产品的改进、新产品的设计、单件产品快速定制等奠定基础。反求工程是综合性很强的术语,它是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,对已有新产品进行解剖、深化和再创造,是已有设计的设计,这就是反求工程的含义,特别强调再创造是反求的灵魂。反求工程（ReverseEngineering，RE），也称逆向工程、反向工程，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程，是一个从样品生成产品数字化信息模型，并在此基础上进行产品设计开发及生产的全过程。随着计算机技术的飞速发展和上述单元技术是逐渐成熟，近年来在新产品设计开发中愈来愈多的被得到应用，因为在产品开发过程中需要以实物（样件）作为设计依据参考模型或作为最终验证依据时尤其需要应用该项技术，所以在汽车，摩托车的外形覆盖件和内装饰件的设计，家电产品外形设计，艺术品复制中对反求工程技术的应用需求尤为迫切。二反求工程的含义及研究内容反求工程（ReverseEngineering）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。反求工程含义广泛，包括设计反求、工艺反求和管理反求等方面。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。图1反求工程的设计程序反求工程技术的研究内容包括所引进反求产品的设计理论、生产制造和管理工程等。就设计而言主要包括以下等内容。（1）产品设计的指导思想分析（2）材料分析（3）功能原理方案分析（4）零、部件结构分析（5）零、部件形体尺寸分析（6）工艺分析（7）精度分析（8）工作性能分析（9）外观造型分析（10）对产品的维护与管理进行分析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。图2传统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，并充分消化和吸收，在此基础上进行改进和再创造，回答的是“为什么要这样做？”的问题。图3反求设计过程反求设计的流程示意：产品样件→数据采集→数据处理CAD/CAE/CAM系统→模型重构→制造系统→新产品。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。三反求工程的步骤（1）引进技术的应用过程学会引进产品或生产设备的技术操作和维修，使其在生产中发挥作用并创造经济效益。在生产实践中，了解其结构、生产工艺、技术性能、特点以及不足之处，做到“知其然”；（2）引进技术的消化过程对引进产品或生产设备的设计原理、结构、材料、制造工艺、管理方法等项内容进行深入的分析研究，用现代的设计理论、设计方法及测试手段对其性能进行测定和计算，了解其材料配方、工艺流程、技术标准、质量控制、安全保护等技术条件，特别要找出它的关键技术，做到“知其所以然”；（3）引进技术的创新过程在上述基础上，消化综合引进的技术，取众家之长，进行创新设计，开发出适合我国国情的新产品。最后完成从技术引进到技术输出的过程，创造出更大的经济效益。这一过程是利用反求工程进行创新设计的最后阶段，也是反求工程中最重要的环节。四反求工程的四个阶段反求工程一般可分为四个阶段：（1）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。（2）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。（3）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。（4）重建CAD模型的检验与修采用根据获得的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。五反求工程技术优点（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，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。（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。六反求工程的关键技术1实物原型的数字化技术实物样件的数字化是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的过程。随着传感技术、控制技术、制造技术等相关技术的发展，出现了各种各样的数字化技术。2数据点云的预处理技术获得的数据一般不能直接用于曲面重构，因为对于接触式测量，由于测头半径的影响，必须对数据点云进行半径补偿；在测量过程中，不可避免会带进噪声、误差等，必须去除这些点；对于海量点云数据，对其进行精简也是必要的。包括：半径补偿、数据插补、数据平滑、点云数据精简、不同坐标点云的归一化等。3三维重构基本方法复杂曲面的CAD重构是逆向丁程研究的重点。而对于复杂曲面产品来说，其实体模型可由曲面模型经过一定的计算演变而来，因此曲面重构是复杂产品逆向工程的关键。包括：多项式插值法、双三次Bspline法Coons法、三边Bezier曲面法、BP神经网络法等。4曲线曲面光顺技术在基于实物数字化的逆向工程中，由于缺乏必要的特征信息，以及存在数字化误差，光顺操作在产品外形设计中尤为重要。根据每次调整的型值点的数值不同，曲线/曲面的光顺方法和手段主要分为整体修改和局部修改。光顺效果取决于所使用方法的原理准则。方法有：最小二乘法、能量法回弹法、基于小波的光顺技术等。七应用展望反求工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术，它有着独特的共性技术和内容，是一门新兴的交叉学科分支。在工程专业领域，需有设计、制造、试验、使用、维修、检测等方面知识；在现代设计法领域，应有系统设计、优化、有限元、价值工程、可靠性、工业设计、创新技法等知识；在计算机方面，需有硬件和软件的基本知识等等。现代设计理论和方法包括通用的（不针对具体工程专业）和专用的（针对工程专业）的两大范畴。科技发展日新月异，如果说早期的反求活动偏于模仿性、经验性、粗略近似的技术活动，用传统的、常规的方法基本可以胜任，那么对现代产品中高新技术和复杂多样的技术就无能为力。例如用断裂力学设计的产品，使用中出现裂纹是正常的，要想用经典力学去反求是无法解释的；高次方组合曲线或曲面的零件断面，不掌握优化技术就难以消化；引进产品某些零件寿命可精确地给出多少小时多少分，如不掌握疲劳和可靠性设计方法就难以分析等等。反求工程包含的内容和知识面很广，不同专业产品又有不同领域。诸如原理、方案、功能、性能、参数、材质、结构、表面状况、精度和公差、工艺过程、油品、试验和检测、使用规范、维修、运输、可靠性、经济性、贮存等等都要寻究“为什么”的答案，要找出其先进科学的和落后不足的细节。反求过程中，如何用现代设计理论、方法和技术去寻求符合国情的适用技术，是提高国产化零件质量的核心问题。国产化就要创新，反求本质就是再创造，没有相应技术的人才就很难胜任。