机械设计制造中逆向工程的研究

李崇新

摘 要：在新的时代背景下，制造业要想将产品竞争力提高，除了需要对行业内的新技术和理念进行有效的消化，还要不断地实现针对创新。立足于机械业自身发展的这个角度来讲，这个挑战难度非常大，而逆向工程在机械设计中的应用无疑为推动机械设计制造业的发展做出了实质性的贡献。本文论述了机械设计制造中逆向工程的应用。

关键词：机械设计制造；逆向工程；应用研究

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）03-0042-02

随着社会的发展，我国经济发展步伐不断加快，科技水平也取得了巨大的发展成效。基于这样的发展背景之下，机械制造行业作为我国非常重要的产业之一，其发展规模也在不断扩大，其在推进国民经济发展中发挥着不可替代的作用。传统的机械设计制造方式不但安全性低且效率不高，已经不能满足现代制造行业的发展需求。在上述的基础上，只有不断提高机械制造产品的科技含量水平，促使机械设计制造实现最大程度的现代化以及自动化，所以，在实际工作中，需要格外的重视逆向工程技术的使用。本文系统介绍了制造业领域当中的逆向工程技术，包括其工作原理以及其在实际中的应用情况，希望能够为相关的人员提供一定的参考依据。

1 概述

1.1 機械设计制造概述

传统形式的机械制造业主要是通过人为操作而完成的，过去我们经常可以见到，在一个生产车间、工厂中可要想完成一批产品，需要几十、几百甚至几千个人同时操作才能完成，且在这个生产过程当中，工人需要无时无刻的对机械的运作进行监测和控制，为了就是防止机械故障而造成生产损失。这种劳作方式，需要花费大量的物力、人力和财力，生产时间长、生产效率低，最终所生产出来的产品科技含量和质量都不高，且耗能大，导致很多不必要的资源发生浪费，增加生产成本，难以实现最大化的经济效益。随着时代的不断进步和发展，机械设计制造也必定会与时俱进，从过去传统的人为操作方式摆脱出来，朝着自动化方向发展，完全取代传统的人为操作方式，使得生产变得更加安全、快捷以及环保。机械设计制造及其自动化是科技信息发展的产物，是人类进步的象征，在机械设计制造行业中融入逆向工程等先进的科学技术，使得整个生产操作更加灵活、方便，提高产品科技含量，增加了生产安全性，减少人力、物力的投入，使机械设计制造行业得以实现最大的经济效益，实现可持续发展，稳固在我国国民经济中的主导地位，继续在推进我国国民经济中发挥着主导地位。

1.2 逆向工程技术概述

这种技术即借助先进数据测量手段，通过测量扫描将产品实物信息得到，然后再对逆向工程技术进行利用，准确且快速地将几何模型建立起来。在分析工程的前提下，在以逆向工程技术为基础的前提下将产品模具加工出来，最终将产品制成。这种逆向工程技术除了能够复制已经存在的产品，还能够基于原有实物模型，进而实现已有产品的进一步深入地研究以及剖析，并且对于那部分已有的科学技术进行不断的创新，修改并重新进行设计，之后实现已有产品的有效创新。

2 逆向工程工作的原理

逆向工程系统组成有三个部分，模具或产品制造、CAD模型重建以及数字化的产品实物的几何外形都包括在其中。在机械制造业的领域当中，逆向工程一般从已存在的原型以及零件着手。首先需要做的是，对其实行数字化处理。然后对CAD模型进行构建。当检查好CAD模型之后，假如满足相关的要求，那么就可对其加工或者设计。它有两个阶段的应用过程，第一阶段即对原型进行复制，或制造同原型相关的模具。它有两个部分，包括反求制造以及三维重构，快速的成型制造就是其典型的应用。第二个阶段有三个部分，包括反求制造和基于原型再设计以及三维重构等部分。其中，基于原型再设计能够将逆向工程关键的创新功能部分体现出来。它能够通过相关CAE分析手段来分析力学以及美学，并基于此进行创新，将新的产品形成，然后将图纸输出，最后再对产品进行制造。

3 逆向工程的几种关键技术

逆向工程主要包括以下几种关键技术：第一，测量数据的预处理技术，第二，数据测量技术；第三，曲面优化技术以及光顺品质分析，第四，曲面重构技术。

3.1 测量数据的预处理技术

实际工程中，由于有较为密集的测量数据点。而且难以避免的是，测量产品的外形数据会引入数据坏点和边界周边的测量数据以及尖锐边的测量数据等数据误差，所以应数据处理测量数据云。数据处理应包括去除噪声、精简数据、数据平滑、拼合多视数据、插补数据、区域分割数据等一些内容。由于曲线曲面构造方法没有相同的光顺性和精度要求，再加上有多样的测量数据组织形式要求和密度要求以及质量要求。因此，可根据需要选择使用以上几种数据预处理技术。当前，有几种逆向工程软件较为常用，其中Imageware得以最广泛应用，且有着很强的数据预处理能力。它除了能够通过数据平滑和空隙缝合、拼合和分割、去燥和精简等方式处理以百万来计算的点云，而且误差检测能力也较强。与此同时，还能够将较好的A级曲面构造出来，所以在汽车和航空航天、电子和计算机部件等领域对其进行了广泛地应用[1]。

3.2 数据测量技术

借助特定的测量方法和测量设备将零件表面离散点几何的坐标数据得到就是这种技术的重要任务。按照传感器和测量探头是否接触事物，可分为两类的测量方法。第一类是非接触式的，声学测量和光学测量以及磁学测量包括在非接触式的测量方法当中。第二类是接触式的，三坐标测量机和机械手包括接触式的测量方法当中。工业CT法和层切法、投影光栅法和激光扫描测量法都可做测量的手段，一般存储测量数据的时候，会用到一些通常的格式，包括STEP和STL以及IGS等等，这样更便于软件间交互数据[2]。

3.3 曲面优化技术以及光顺品质分析

可以说，保障逆向工程曲面质量的即光顺品质的优化技术。一般情况下，要根据以下步骤开展光顺工作。

（1）加工坏点找出，并对坐标值进行修改；（2）粗略光顺，确保各分段曲线保持一致的曲率符号，从而使单调凹凸的曲线得以保障；（3）精细光顺，确保均匀的分段曲线曲率变化，使光顺曲线的需求得以满足。检查曲面和曲线的光顺品质有三种方法，包括等值线分析法和光照模型分析法以及曲率分析法等，而曲率分析法是最多使用的一种方法。通过对原始曲面形状进行调整，能够优化光顺品质，确保更为光滑的曲面[3]。

3.4 曲面重构技术

将能被CAD系统所接收到的曲面模型建立起来，从而处理后续数据，就是逆向工程最重要的目標。当前主要有两类曲面重构算法，包括四边域参数曲面重构和三边域曲面重构的方法。将三角曲面当做理论基础即三边域曲面构造方法，这种方式能将一些复杂型面物体表现出来，但是其不能对零件的几何高层次特征进行反映，而且没有理想的光顺性。相比于三边域曲面，四边域参数曲面的基础是测量数据，这种模型表示方式更精确，NURRBS曲面和B样条曲面以及Bezier曲面都包括在四边参数曲面当中。这些矩形曲面都能够在三维空间映射参数矩形域，尤其是NURBS，由于其有独特的优势，当中已经成为通用的对产品几何形状进行描述的方法[4]。

4 工程实例

在机械制造领域当中，广泛地对逆向工程进行了应用。其中包括了测量A级曲面和常规零件以及分析优化力学等等。本文的例子即波轮反求，通过逆向工程技术三维重构实物原型，以下就是具体的步骤[5]。

4.1 采集点云

在数据采集的时候，需要用到OKIO光学非接触式的照相测量系统。OKIO这种测量系统是在结构光学的基础上建立的，它结合了相位移动和条纹投影以及光学三角化等原理，针对实物样件，实现非接触测量[6]。

4.2 对曲面进行创建以及分析误差

在曲面重构的时候，可对CATIA软件进行采用，将其当做曲面造型软件。而在分析误差的时候，可对Geomagic Studio软件进行采用。可在CATIA软件当中导入重构波轮，然后重构模型，之后再分析所测量数据点存在的误差。分析可知，一般会在复杂且细小的特征处有较大的误差，比方说凹槽处和尖角以及倒角等地方。由于在测量的时候没有办法全部扫描到，所以在重构的时候会有一定误差出现，但为了减少误差，可采取一定的措施[7]。

5 未来的应用前景

总的来讲，实施逆向工程需要协同多个学科以及多个领域，它除了能够在修补机械产品、复制已有的零件，还能够集成行业分析软件以及逆向工程，对当前的技术进行利用进行分析和研究。比方说，面对零部件，可进行结构动力学分析；面对机械产品，可实行机构运动分析；面对风扇和汽车，可实行流体动力学分析，从而掌握设计产品的技巧。我们相信在不久的未来，当逆向工程集成了产品制造和概念设计、优化方法和分析时，必然会将一套较为完整的生产体系形成。

6 结语

本文对逆向工程的关键技术和工作原理进行了详细的介绍，包括以下几个部分：首先是数据预处理技术，其次是数据测量技术等，在使用上述基础的基础上将一个曲面重构当作分析的实例，细致地描述了在机械造型过程中逆向工程的应用过程，希望以上论点能够为相关的研究者提供一定的参考依据。

参考文献

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[2]强华.机械设计制造及其自动化专业“3+4”分段人才培养方案初探[J].价值工程，2016，（9）：149-150.

[3]解明利，黄世军，汪飞雪，等.基于仿生项目的机械设计学实验教学改革的探索与实践[J].实验室研究与探索，2015，（9）：219-223，280.

[4]王莹，张磊，谢宇强，等.《机械设计》杂志工业设计类论文发表情况统计分析与研究[J].机械设计，2013（12）：127-128.

[5]方乃伟，吕学强，张丹，等.基于加权距离的机械设计图像异步检索方法[J].计算机应用，2013，（5）：1406-1410.

[6]夏德茂，奚鹰，华滨滨，等.制动盘材料和结构对滑动摩擦系统热弹性失稳的影响[J].吉林大学学报：工学版，2016，（4）：1163-1174.

[7]尹瑞雪，曹华军，李洪丞，等.基于函数化描述的机械制造工艺碳排放特性及其应用[J].计算机集成制造系统，2014，（9）：2127-2133.