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第7章反求工程设计张东编写§7.1概述反求工程又称逆向工程（ReverseEngineering），它是一种以先进产品设备的实物、样件、软件或影像作为研究对象，应用产品设计方法学、系统工程学、计算机辅助技术的理论和方法进行系统分析和研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类的或更先进的产品的技术。7.1.1反求工程的特点反求工程是按照产品引进、消化、吸收与创新的思路，以“实物→原理→功能→三维重构→再设计”框架模型为工作过程。实物/原型数据获取反求软件原始设计参数还原CAD模型CAD系统产品创新设计新产品计算机辅助分析（CAE）新产品CAD模型设计意图理解造型规律识别改型设计原型修改7.1.2反求工程技术的应用1、反求工程技术在新产品快速开发中已得到广泛应用，具体表现在以下几个方面：（1）在诸如飞机、汽车、摩托车、家用电器等产品开发中。（2）经常要对已有的构件做局部修改。（3）在缺乏二维设计图纸或者原始设计参数情况下，需要将实物零件转化为计算机表达的CAD模型。（4）某些大型设备，如航空发动机、汽轮机组等，经常因为某一零部件的损坏而停止运行，通过反求工程手段，可以快速生产这些零部件的替代零件。（5）一些特殊领域，如：艺术品、考古文物的复制，医学领域中人体骨骼、关节等的复制、假肢制造，特种服装、头盔的制造等，需要首先建立人体的几何模型，这些情况下都必须从实物模型出发得到CAD模型。（6）借助于工业CT技术，反求工程不仅可以产生物体的外部形状，而且可以快速发现、定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤的重要手段。（7）损坏或磨损零件的还原。（8）数字化模型的检测。2．反求工程技术实施步骤（1）反求分析•反求分析是指对反求对象从功能、原理方案、零部件结构尺寸、材料性能、加工装配工艺等有全面深入的了解，明确其关键功能和关键技术，对设计中的特点和不足之处作出必要的评估。针对反求对象的不同形式——实物、软件或影像，可采用不同的手段和方法。（2）反求设计•反求设计是在反求分析的基础上进行测绘仿制、变参数设计、适应性设计或开发性设计。（3）反求工程的商业化软件•随着反求工程技术的发展，专用的反求设计软件有很多，国外较具代表性的主要有美国EDS公司的基于四边域的ImagewareSurfacer、美国Raindrop公司的基于三角域的GeomagicStudio、英国DELCAM公司的CopyCAD、法国MDTV公司的StrimandSurfaceReconstruction等。§7.2实物反求设计根据反求对象的不同，实物反求可分为三种：1．整机反求•反求对象是整台机器或设备。如一台发动机、一辆汽车、一架飞机、一台机床、成套设备中的某一设备等。2．部件反求•反求对象是组成机器的部件。这类部件是由一组协同工作的零件所组成的独立装配的组合体。如机床的主轴箱、刀架等，发动机的连杆活塞组、机油泵等。3．零件反求•反求对象是组成机器的基本制造单元。如发动机中的曲轴、凸轮轴，机床主轴箱中的轴齿轮等零件。反求的零件一般也是产品中的关键零件。§7.2.1实物反求设计的特点（1）具有直观、形象的实物，有利于形象思维。（2）可对产品的功能、性能、材料等直接进行试验及分析，以获得详细的设计参数。（3）可对产品的尺寸直接进行测绘，以获得重要的尺寸参数。（4）缩短了设计周期，提高了产品的生产起点与速度。（5）引进的产品就是新产品的检验标准，为新产品开发确定了明确的赶超目标。实物反求虽形象、直观，但引进产品时费用较大，因此要充分调研，确保引进项目的先进性与合理性。§7.2.2零件技术条件的反求1．尺寸公差的确定•在反求设计中，零件的公差是不能测量的，故尺寸公差只能通过反求设计来解决。2．形位公差的确定•零件的几何形状及位置精度对机械产品性能有很大的影响，一般零件都要求在零件图上标出形位公差。3．表面粗糙度值的确定•通常机械零件的表面粗糙度值可用粗糙度仪较准确地测量出来，再根据零件的功能、实测值、加工方法，参照国家标准，选择出合理的表面粗糙度。4．零件材料的确定•零件材料的选择直接影响到零件的强度、刚度、寿命、可靠性等指标，故材料的选择是机械创新设计的重要问题。5．热处理及表面处理的确定•在确定零件热处理等技术要求时，一般应设法对实物有关这方面的原始技术条件（如硬度等）进行识别测定，在获得实测资料的基础上，合理选择。7.2.3关键零件的反求设计实物易于仿造，但其中必有一些关键零件，也就是生产商要控制的技术。这些关键零件是反求的重点，也是难点。在进行实物反求设计时，要找出这些关键零件。不同的机械设备，其关键零件也不同。要根据具体情况确定关键零件。如发动机中的活塞和凸轮轴、汽车主减速器中的锥齿轮等都是反求设计中的关键零件。对机械中的关键零件的反求成功，技术上就有突破，就会有创新。一般情况下，关键零件的反求都需要较深的专门知识和技术。§7.2.4机构系统的反求设计主要包括以下几方面：(1)功能不变，降低成本。(2)成本不变，增加功能。(3)增加一些成本以换取更多的功能。(4)减少一些功能使成本更多地降低。(5)增加功能，降低成本。•例如，大规模集成电路的研制成功，使计算机产品的功能越来越大，但其价格却在下降。§7.3软件反求设计与创新1．软件反求设计的特点（1）软件反求设计的抽象性—由于引进的技术软件不是实物性产品，可见性差，因此，软件反求设计的过程主要是处理抽象信息的过程。（2）软件反求设计的科学性—从引进的技术软件中提取信息，经过科学的转换、分析与反求、去伪存真，由低级到高级，逐步破译出反求对象的技术奥秘，从而获取接近客观的真值。因此，软件反求设计具有高度的科学性。（3）软件反求设计的智力性—由于软件反求设计过程主要是人的思维过程，是用逻辑思维分析引进的技术资料，最后返回到设计出新产品的形象思维。由抽象思维到形象思维的不断反复，全靠人的脑力进行。因此，软件反求设计具有高度的智力性。（4）软件反求设计的综合性—由于软件反求设计要综合运用优化理论、相似理论、模糊理论、决策理论、预测理论、计算机技术等多学科的知识。因此，软件反求设计需集中各种专门人员共同工作，才能完成任务。（5）软件反求设计的创造性—软件反求设计是在引进的技术软件基础上的产品反求设计，不是原产品设计过程的重复，而是一种创造、创新的过程，是加快发展国民经济的重要手段。2．软件反求设计的一般过程（1）论证软件反求设计的必要性。（2）论证软件反求设计成功的可能性。（3）分析原理方案的可行性、技术条件的合理性。（4）分析零部件设计的正确性、可加工性。（5）分析整机的操作、维修的安全性和便利性。（6）分析整机综合性能的优劣。§7.4反求工程设计及实例7.4.1搅拌器的实物反求工程设计•搅拌反应釜在石油、化工、医药等行业中应用十分广泛，其重要部件搅拌器叶片的结构形状和运转情况是影响釜内流体和决定能量消耗的重要因素。目前我国主要依靠进口和生产线全套引进，不但价格昂贵，且没有软件技术资料。因此研究国外先进的搅拌器结构和叶片形状，利用计算机反求技术设计高效节能的搅拌器，对发展我国搅拌技术具有重要的学术价值和重大的经济及社会效益。首先通过分析新型搅拌器叶片的结构和形状特征，利用三坐标测量仪对叶片形状进行扫描，并对扫描数据进行分析、处理；然后对搅拌器叶片进行反求设计，最后确定出合理的模型完成反求设计任务。具体反求设计步骤如下：•1．分析实物原型•图7-3所示的搅拌器叶片模型为通过反求工程得到的最终数字产品模型，其外形复杂、曲面变化较大且不规则。•图7-3搅拌器数字模型图•假设直接使用三坐标测量仪对无规则的叶片空间曲面进行数据采集，则难以实现叶片曲面的精确再现。•通过研究分析可以发现整个几何形状是由叶片轮廓曲线及可变截面轮廓线来控制的，可以通过变截面扫描物体的方法来创建搅拌器叶片的曲面模型。•优点是采集的数据少，造型时几何模型表面光滑，有利于滤掉测量过程中产生的随机扰动和原始零件固有的缺陷。2．测量方法与步骤•在测量前，先考虑如何建立搅拌器的坐标系，要对搅拌器进行哪几个方向的测量，并对测量仪测头在这几个方向要一一进行校验。•特别是叶片在测量过程中，不可能一次装卡，测完所有数据，为保证在不同的坐标系中测量的数据能够进行整合，构成被测物体的统一数字模型，这就要求在不同的测量过程中，确立的坐标系能够互相统一起来。•实测中取搅拌器上端面圆心为坐标原点，XY平面与端面平齐，Z轴方向为圆柱轴向方向，这样由所采集数据建立搅拌器数字模型时，在CAD/CAM造型软件中得以统一。•确定测量坐标系后，以所确定的坐标系为依托分别从XY、XZ、YZ三个方向进行叶片数据扫描采集。•扫描方式为闭线扫描，测头从起始点的X、Y、Z坐标值开始，按预定步长（0.5mm）进行扫描，回转一周到起始点，再按Z方向提升20mm进行第二次扫描。所采集数据点如表7-1所示。序号XYZ1－2.74610.6972235.71922－2.77890.3449235.71913－2.8436-0.0026235.7189…………表7-1XY方向数据点3．特征分析与建模•（1）特征分析•根据搅拌器的几何形状可知，搅拌器叶片的整体形状是由叶片的轮廓曲线和变截面线来控制的。•为了反求模型能够完全还原本体特征，考虑到叶片与轴的联接方式较为特殊，所以在测量时，从XY、XZ两个方向以叶片的轮廓曲线和变截面线来采集样点，从YZ方向取叶片与轴过度面的轮廓曲线和变截面线来采集样点。•在进行后期数据处理时，由于采用的坐标系是相同的，所以最后三个方向样点能够还原搅拌器的形体特征。•（2）数据采集•据以上分析，搅拌器叶片的整体形状是由叶片的轮廓曲线和变截面线来控制的，数据的测量分三次进行。所测表面轮廓数据点及特征数据点如图7-4所示。（a）XY方向测量数据点（b）XZ方向测量数据点（c）YZ方向测量数据点图7-4叶片表面轮廓数据点4．数据合成与模式重建•实测数据中含有异常数据点，要求对测量数据点进行编辑、过滤，整理杂乱的离散数据点，分析叶片表面轮廓数据点的关系。•去除离散数据点后将图7-4所示叶片三个方向数据进行合并形成叶片整体数据模型，并以前述所定义之坐标原点为中心将叶片数据模型进行圆周阵列，如图7-5所示。图7-5叶片测量数据合成与阵列在CAD软件中将此搅拌器叶片数据模型进行投影并进行三维动态观察，确定出叶片的XY、XZ、YZ方向投影轮廓和叶片原始模型，从而完成搅拌器曲面整体造型。如图7-6、图7-7所示。图7-6叶片模型图7-7搅拌器三维模型•7.4.2倒车灯开关的实物反求设计•倒车灯开关装在汽车变速箱上，当变速器挂入倒车挡时，开关闭合，接通电路，点亮倒车灯。南京汽车电器厂根据产品配套要求进行倒车灯开关设计，有从日本引进的实物产品。图7-8倒车灯开关原产品结构图1-顶杆2-外壳3-铜顶柱4-密封圈5-钢碗6-小弹簧7-顶圈8-导电片9-触点10-接触片11-回位弹簧12-底座1．原产品分析•原产品的结构如图7-8所示，其开关工作原理是：•当把变速杆拨到倒档位置时，倒车灯开关中的顶杆1被压下，力经4、3、6、7、10传到回位弹簧11，当顶杆1的行程在1mm以内时，铜顶住3推动小弹簧6产生变形，弹簧力通过顶圈7作用在接触片10上，但此时回位弹簧11因预加载荷作用其弹簧力大于小弹簧6的弹簧力，故触点9保持闭合；•只有当顶杆1继续受压，其行程大于1mm后，小弹簧6产生的弹簧力大于回位弹簧11的预紧弹簧力，接触片10被推开，触电9分开。释放压力后，在回位弹簧11的作用下，顶杆1复位，触点9闭合。•从倒车灯开关工作原理得知，实现基本开闭功能的关键零件是两个弹簧，而弹簧的变形和力参数难以保证，而弹簧预紧力的大小有顶圈7的厚薄来控制，造成质量不稳定，装配工艺性差，倒车灯开关性能很难控制。为此，在进行反求设计时需改进开关结构。2．反求设计（1）设计目标•1）不改变产品外形尺寸和安装尺寸，保证配套产品的要求。•2）保证产品的开关功能，提高可靠性。希望装配后无需调整即能满足产品技术要求。开闭动作的寿命大于104次