以逆向工程技术为基础的工业产品数字化设计和制造

关金华

摘要：现阶段在数字化背景下，现代化工业水平迅猛发展，工业化产品日新月异，伴随工业产品被大量需要，工业产品的设计趋向于信息化手段与数字化水平。工业产品的设计与制造均以整个制造过程作为研究主线。现代化的工业制造手段是工业产品设计制造的根本，之后始于数字化技术设计与工程化架构，以及创建立体的三维的设计平台与制作平台。

关键词：逆向工程;数字化设计;工业制造;工业产品

中图分类号：TP274 文献标识码：A

数字化时代已经来临，工业产品生产制造改革势在必行，产业结构调整趋于必然。由此衍生出的职业教育极具特殊性。当一个地区、一个国家的区域经济想要高质量发展，并带动整个地区与国家经济发展，就需要根据市场需求调整企业架构、产品架构，从而影响整个区域的职业教育结构。工业结构的改变在一定程度上影响了国民经济的结构，对国民经济发展起到促进作用。以发展的眼光来看，工业产品在设计阶段和制造阶段充分利用数字化技术能够帮助企业迅速发展。本研究将逆向工程工业技术作为研究基础，充分研究并分析数字化背景下的工业产品制造与设计体系，以期助力工业经济的发展。

1 剖析工业生产设计现状

从整个工业生产行业来看，机械制造已经成为工业生产的主力军，截至目前，已然成为工业生产的根本与领航，政策方面也享受国家的优惠与利好。由于科技与互联网的迅猛发展，全行业的工业产品正在以日新月异的速度更新，伴随国民经济水平的提高，各类工业产品需求缺口也在逐渐扩大。那么，想要改变这一现状，使得工业产品的产业结构与质量得到增强，就需要将诸多力量置于机械工业和制造产业的发展。这种工业结构的调整带动了工业行业中建筑产业与家电产业的发展，为这两种产业注入新鲜活力。早在“十五”期间，国家就大力搞活制造产业，提供多项政策支持与技术支持，促使其行业发展迅速转型与调整。随着我国工业发展步伐的不断加快，机械制造产业也在调整发展步调，与工业发展步调协调一致。截至2019年1月，国家工业产值同比增长16%，使得我国的机械生产在国际上也名列前茅。现阶段，正是机械制造业发展的蓬勃时期，机械制造水平的提高将会进一步促进我国经济的发展，新的机械制造技术引起了众多研究学者的关注[1]。研究学者们紧跟时代趋势，及时关注国内外机械制造技术的发展动向，并借助先进的信息技术，如CAD一体化技术，不断更新机械制造方法，使得机械产品变得更加智能。我国的制造业发展迅猛，目前已经不再是仅仅停留在重视机械制造产品的数量，更加注重的是产品的质量。机械制造与计算机的结合，使得产品变得更加集成化、小型化和数字化，利用自动化技术、仿真技术、计算机网络和先进的集成技术等，机械制造产品将会更加微型化与智能化，更加符合人们和市场的需求。

2 逆向工程概念介绍

传统的科研设计人员通常通过理论计算、外观设计及模型设计等步骤实现产品或模型的制造，但在整个工业领域，很多时候无法事先得到产品的精细数据，科研人员往往需要根据产品实物或模型本身来计算其三维模型，这就产生了逆向工程。逆向工程是指根据现有实物通过一系列测量和计算方法进行反向数据推算，根据现有零件或产品建立数字化三维模型，并通过反复修改与检查，建立该实物的三维模型，绘制该产品的图纸，最终实现产品的制造[2]。

逆向工程技术的主要操作对象为样品实物或数据，科研人员需要根据样品实物与内部数据实现三维模型的重建，利用专门的三维模型建立工具，如CAD等软件，使用三维建模软件进行数据处理和三维重构，生成物体的几何形状或者产品图样的程序等[3]。逆向工程技术在实现较为复杂和难以精确表达形状、使用未知方法构建的样品等场合技术优势明显，最后在计算机端生成同样类型和大小的器件。逆向技术经过近些年来的发展，其研究对象已经从原来的实物样品研究发展到包含软件类、影像类产品或资料的重建。

逆向工程的研究内容主要包含以下几个方面：

（1）首先进行原产品设计的指导思想的探索，了解指导思想的同时才能够准确进行产品设计，不同产品和样品有不同的指导思想，在探究其指导思想时要满足消费者的需求，尽可能贴合消费者的要求。

（2）了解原产品实现的方案，每种产品的实现都是按照一定的技术要求，确定实现方案，完成产品设计的核心便是探究其研究方案。探索原产品原理方案的设计，可以进一步了解功能目标的确定原则，对产品的改进设计有极大帮助。

（3）探索产品的结构设计，只有弄清楚产品中零部件的实现方案，才能够保证整个样品的实现，零件的具体结构是实现产品功能目标的保证。

（4）测量产品的零部件尺寸，根据零件形状选用合适的测量方法完成样品的尺寸测量，并用图样及技术文件方式表达出来。

（5）选择合适的精度评价指标，实现产品的精度要求，这是逆向工程的难点之一。通过测量，只能得到零件的外形尺寸，而不能获得几何精度的分配，科学合理地进行精度分配，才能提高产品的装配精度和力学性能。

（6）確定产品中零件的材料，通过一系列测量、光谱分析等试验方法，对材料的物理性能、化学成分、热处理等情况进行全面鉴定，确定合适的生产材料。

（7）测试产品的工作性能，根据样品需求进行试验测定和反复计算，了解产品的设计准则和设计规范，并提出改进措施。

3 逆向工程的实现

逆向工程是利用现代数字化技术和信息技术根据实物实现产品至三维模型的反向计算，该技术无论是在工业领域还是医用、军用等其他领域都具有重要地位。实现逆向工程主要包含以下3个方面。

3.1 数据测量与获取

实现逆向工程技术的基础是数据的获取，数据是实现产品复制和重现的基础也是极为重要的一部分，没有精准的数据测量无法还原出产品的基本特征。现阶段的数据获取方法主要分为接触式与非接触式两种。

接触式数据获取方法使用时间较久，是相对传统的一种数据获取方法，该方法利用测量工具去实际接触测量待测实物或产品的三维坐标等信息[4]。首先，该方法能够快速得到零件的基本形状信息，但是需要科研人员及其规范的操作，不正确的使用测量工具会带来较大的误差;其次，该方法可能由于器件的角度和测量工具角度的差异，带来一定程度的误差，该方法较为耗时，可能会影响任务进度，现在已经逐渐发展为基于电子系统的接触式测量。

非接觸式数据获取方法是较为先进也比较省时省力的方法，典型的非接触式方法主要有投影法、扫描法等。该方法对探头的质量要求较高，能够在短时间内探测到零件的丰富信息，节省人力物力，但是该方法容易受表面反射的影响，测量精度是相对较低的，在难接触到物体表面时，可以使用此方法。不同的测量方法对应不同的工业需要，在实际产品实现中，应该根据需求对比选择合适的测量方法。

在数据得到后，不能直接用于计算，原因是测量数据可能受噪声等外界影响，需要进一步的数据处理。例如，使用数据平滑技术去除噪声，进行数据的标定等。由于测量设备在测量时很难保持同一角度，不同形状的零件也会获得不同角度的数据信息，因此，数据处理技术还包括数据定位技术，实现不同数据的定位。最后还要根据测量数据进行判断，选择相应的评价指标计算获取数据的准确性。

3.2 三维模型建立

在获取完数据之后，根据数据与外形信息，利用信息化软件实现模型的三维显示，常用的三维建模软件有CAD和CAM。很多研究者会把逆向工程技术与CAD方法混淆，但实际上二者并不是完全一样的，逆向工程技术可以利用CAD模型实现器件的三维建模，也可以利用其他软件实现模型的建立，如CATIA等。在实际选择时，应该根据需求，选择合适的建模软件，利用好开源库，实现模型的高效建立。模型的重建是逆向工程的关键，现阶段越来越多的新技术能够帮助工业产品实现更好的重建。重建模型后，还要根据实物实现模型的修正，测试其精度是否满足工业要求，对不满足的模型应该反复修改，直至完成工业产品的精度要求。

4 逆向工程的应用

目前逆向工程的使用可能是因为设计文件的丢失、样品的重新设计等，例如，在木制品、船舶行业等，通过雕刻机或机床实现产品的复制。目前由于数字化技术的发展，基于三维建模、CAD模型的逆向工程方法已经逐渐代替传统机床方法。

4.1 零件的复制

现在逆向工程技术在工业设计领域应用广泛，主要应用于产品的仿真或改型、破损零件的重现等。逆向工程技术不但能够对现有零件进行技术实现的还原，还能够在产品或零件需要更新或新型号研制时起到极其关键的作用。由于工业产品都是不断被消耗的，长年累月使用的零件产品经常会出现损坏，逆向工程能够帮助零件进行修复，是零件修复或者再次开发的技术保障。

4.2 工业检测

逆向工程还能对产品或零件进行误差检测，根据实际产品与三维模型数据之间的误差，实现产品的检测与分析。通过该技术，能够实现产品的自动化精准测量。

4.3 零件备用

逆向工程技术能够根据实物生产出相同规格的产品，这项技术已经被众多航空公司用于制造备用零件。该技术能够利用现有少数零件生成精确数据，科研人员可以利用三维数据生成类似规格的产品用于飞机制造、船舶零件制造等。

5 结语

逆向工程技术毫无疑问为工业产品的制造带来巨大作用，该项技术能够在仅有零件实物时反向推算出模型数据，通过一定的数据获取手段，采用先进的数据处理方法，使用三维模型软件设计出待测实物的三维模型，实现产品到数据的计算，数据可以反复利用，从而生成不同类型不同规格的相似产品。在整个工业领域应用价值极高，并且利用自动化和信息化技术，促进了机械制造业的发展，使得机械产品的制造变得更加智能。工业产品也因为逆向工程技术变得更加集成化、小型化和数字化。逆向工程技术的出现，使得工业设计人员能够快速满足用户的需求。未来，逆向工程技术一定会继续发展，更好地为工业设计产品服务，逆向工程技术为我国工业制造领域带来了全新的发展机遇，但该技术仍然应该结合具体应用解决现阶段存在的问题，向更高效更智能的方向发展。

参考文献

[1] 高志华，刘旸，潘春生，等.基于逆向工程的工业产品数字化设计与数控加工应用研究[J].新技术新工艺，2019（6）：33-36.

[2] 杨明霞.逆向工程造型关键技术解析[J].南方农机，2019，50（16）：242-243.

[3] 郭利，张录鹤.基于逆向工程技术的船舶螺旋桨叶数字化设计[J].舰船科学技术，2018，40（10）：4-6.

[4] 黄加福.基于逆向工程的苹果钟表数字化设计与样机制造[J].漳州职业技术学院学报，2018，20（3）：84-87.