反求工程

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反求工程(Reverse Engineering)

　　反求工程(Reverse Engineering)這一術語起源於60年代,但對它從工程的廣泛性去研究,從反求的科學性進行深化還是從90年代初剛剛開始.反求工程類似於反向推理,屬於逆向思維體系.它以社會方法學為指導,以現代設計理論,方法,技術為基礎,運用各種專業人員的工程設計經驗,知識和創新思維,對已有的產品進行解剖,分析,重構和再創造,在工程設計領域,它具有獨特的內涵,可以說它是對設計的設計.

　　反求工程技術是測量技術,數據處理技術,圖形處理技術和加工技術相結合的一門結合性技術.隨著電腦技術的飛速發展和上述單元技術是逐漸成熟,近年來在新產品設計開發中愈來愈多的被得到應用,因為在產品開發過程中需要以實物(樣件)作為設計依據參考模型或作為最終驗證依據時尤其需要應用該項技術,所以在汽車,摩托車的外形覆蓋件和內裝飾件的設計,家電產品外形設計,藝術品複製中對反求工程技術的應用需求尤為迫切.

　　所謂反求工程是將數據採集設備獲取的實物樣件錶面或錶面及內腔數據,輸入專門的數據處理軟體或帶有數據處理能力的三維CAD軟體進行處理和三維重構,在電腦上復現實物樣件的幾何形狀,併在此基礎上進行原樣複製,修改或重設計,該方法主要用於對難以精確表達的曲面形狀或未知設計方法的構件形狀進行三維重構和再設計.

　　反求工程技術的研究對象多種多樣,所包含的內容也比較多,主要可以分為以下三大類:

　　①實物類:主要是指先進產品設備的實物本身;

　　②軟體類:包括先進產品設備的圖樣,程式,技術文件等;

　　③影像類;包括先進產品設備的圖片,照片或以影像形式出現的資料.

　　反求工程包含對產品的研究與發展,生產製造過程,管理和市場組成的完整系統的分析和研究.主要包括以下幾個方面:

　　探索原產品設計的指導思想 掌握原產品設計的指導思想是分析瞭解整個產品設計的前提.如微型汽車的消費群體是普通百姓,其設計的指導思想是在滿足一般功能的前提下,儘可能降低成本,所以結構上通常是較簡化的.

　　探索原產品原理方案的設計各種產品都是按定的使用要求設計的,而滿足同樣要求的產品,可能有多種不同的形式,所以產品的功能目標是產品設計的核心問題.產品的功能概括而論是能量, 物料信號的轉換.例如,一般動力機構的功能通常是能量轉換,工作機通常是物料轉換,儀器儀錶通常是信號轉換.不同的功能目標,可引出不同的原理方案.設計一個夾緊裝置時,把功能目標定在機械手段上,則可能設計出斜楔夾緊,螺旋夾緊,偏心夾緊,定心夾緊,聯動夾緊等原理方案;如把功能目標確定擴大,則可設計出液動,氣動,電磁夾緊等原理方案.探索原產品原理方案的設計,可以瞭解功能目標的確定原則,這對產品的改進設計有極大幫助.

　　研究產品的結構設計 產品中零部件的具體結構是實現產品功能目標是保證,對產品的性能,工作能力,經濟性,壽命和可靠性有著密切關係.

　　確定產品的零部件形體尺寸分解產品實物,由外至內,由部件至零件,通過測繪與計算確定零部件形體尺寸,並用圖樣及技術文件方式表達出來.它是反求設計中工作量很大的一部分工作.為更好地進行形體尺寸的分析與測繪,應總結箱體類,軸類,盤套類,,齒輪,彈簧,曲線曲面及其它特殊形體的測量方法,併合理標註尺寸.

　　確定產品中零件的精度確定零件的精度(即公差設計),是反求設計中的難點之一.通過測量,只能得到零件的加工尺寸,而不能獲得幾何精度的分配.精度是衡量反求對象性能的重要指標,是評價反求設計產品質量的主要技術參數之一.科學合理地進行精度分配,對提高產品的裝配精度和力學性能至關重要.

　　確定產品中零件的材料通過零件的外觀比較,重量測量,力學性能測定,化學分析,光譜分析,金相分析等試驗方法,對材料的物理性能,化學成分,熱處理等情況進行全面鑒定,在此基礎上,遵循立足國內的方針,考慮資源及成本,選擇合用的國產材料,或參照同類產品的材料牌號,選擇滿足力學性能及化學性能的國有材料代用.

　　確定產品的工作性能 針對產品的工作特點機器主要性能進行試驗測定,反計算和深入地分析,瞭解產品的設計準則和設計規範,並提出改進措施.

　　確定產品的造型 對產品的外形構型,色彩設計等進行分析,從美學原則,顧客需求心裡,商品價值等角度進行構型設計和色彩設計.

　　確定產品的維護與管理 分析產品的維護和管理方式,瞭解重要零部件及易損零部件,有助於維修及設計的改進和創新.

　　反求工程（逆向工程）是近年來發展起來的消化，吸收和提高先進技術的一系列分析方法和應用技術的組合，其主要目的是為了改善技術水平，提高生產率，增強經濟競爭力。世界各國在經濟技術發展中，應用反求工程消化吸收先進技術經驗，給人們有益的啟示。據統計，各國百分之七十以上的技術源於國外，反求工程作為掌握技術的一種手段，可使產品研製周期縮短百分之四十以上，極大提高了生產率。因此研究反求工程技術，對我國國民經濟的發展和科學技術水平的提高，具有重大的意義。

　　反求工程（逆向工程）的應用領域大致可分為以下幾種情況：

　　在沒有設計圖紙或者設計圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，在對零件原形進行測量的基礎上形成零件的設計圖紙或CAD模型，並以此為依據利用快速成型技術複製出一個相同的零件原型。

　　當要設計需要通過實驗測試才能定型的工件模型時，通常採用反求工程的方法。比如航天航空領域，為了滿足產品對空氣動力學等要求，首先要求在初始設計模型的基礎上經過各種性能測試（如風洞實驗等）建立符合要求的產品模型，這類零件一般具有複雜的自由曲面外型，最終的實驗模型將成為設計這類零件及反求其模具的依據。

　　在美學設計特別重要的領域，例如汽車外型設計廣泛採用真實比例的木製或泥塑模型來評估設計的美學效果，而不採用在電腦屏幕上縮小比例的物體投視圖的方法，此時需用反求工程的設計方法。

　　修複破損的藝術品或缺乏供應的損壞零件等，此時不需要對整個零件原型進行複製，而是藉助反求工程技術抽取零件原形的設計思想，指導新的設計。這是由實物逆向推理出設計思想的一種漸近過程。

　　反求工程（逆向工程）具有與傳統設計製造過程截然不同的設計流程。在反求工程中，按照現有的零件原形進行設計生產，零件所具有幾何特征與技術要求都包含在原形中；在傳統的設計製造中，按照零件最終所要承擔的功能以及各方面的影響因素，進行從無到有的設計。此外，從概念設計出發到最終形成CAD模型的傳統設計是一個確定的明晰過程，而通過對現有零件原形數字化後在形成CAD模型的反求工程是一個推理，逼近的過程。

　　1) 反求工程（逆向工程）一般可分為四個階段：

　　第一步: 零件原形的數字化

　　通常採用三坐標測量機(CMM)或激光掃描儀等測量裝置來獲取零件原形錶面點的三維坐標值。

　　第二部: 從測量數據中提取零件原形的幾何特征

　　按測量數據的幾何屬性對其進行分割，採用幾何特征匹配與識別的方法來獲取零件原形所具有的設計與加工特征。

　　第三部: 零件原形CAD模型的重建

　　將分割後的三維數據在CAD系統中分別做錶面模型的擬合，並通過各錶面片的求交與拼接獲取零件原形錶面的CAD模型。

　　第四部: 重建CAD模型的檢驗與修正

　　採用根據獲得的CAD模型重新測量和加工出樣品的方法來檢驗重建的CAD模型是否滿足精度或其他試驗性能指標的要求，對不滿足要求者重覆以上過程，直至達到零件的逆向工程設計要求。

　　2) 反求工程（逆向工程）中常用的測量方法

　　反求工程中（逆向工程）的測量方法可分成兩類:接觸式與非接觸式。

　　(1) 接觸式測量方法

　　坐標測量機

　　坐標測量機是一種大型精密的三坐標標測量儀器，可以對具有複雜形狀的工件的空間尺寸進行逆向工程測量。坐標測量機一般採用觸髮式接觸測量頭，一次採樣只能獲取一個點的三維坐標值。九十年代初，英國Renishaw公司研製出一種三維力一位移感測的掃描測量頭，該測頭可以在工件上滑動測量，連續獲取錶面的坐標信息，掃描速度可達8米/秒，數字化速度最高可達500點/秒，精度約為0.03mm。這種測頭價格昂貴，目前尚未在坐標測量機上廣泛採用。坐標測量機主要優點是測量精度高，適應性強，但一般接觸式測頭測量效率低，而且對一些軟質錶面無法進行逆向工程測量。

　　層析法

　　層析法是近年來發展的一種反求工程逆向工程技術，將研究的零件原形填充後，採用逐層銑削和逐層光掃描相結合的方法獲取零件原形不同位置截面的內外輪廓數據，並將其組合起來獲得零件的三維數據。層析法的優點在於任意形狀，任意結構零件的內外輪廓進行測量，但測量方式是破壞性的。

　　(2) 非接觸式逆向工程測量方法

　　非接觸式測量根據測量原理的不同，大致有光學測量、超聲波測量、電磁測量等方式。以下僅將在反求工程中最為常用與較為成熟的光學測量方法（含數字圖像處理方法）作一簡要說明。

　　基於光學三角型原理的逆向工程掃描法

　　這種測量方法根據光學三角型測量原理，以光作為光源，其結構模式可以分為光點、單線條、多光條等，將其投射到被測物體錶面，並採用光電敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根據光點或光條在物體上成象的偏移，通過被測物體基平面、象點、象距等之間的關係計算物體的深度信息。

　　基於相位偏移測量原理的莫爾條紋法

　　這種測量方法將光柵條紋投射到被測物體錶面，光柵條紋受物體錶面形狀的調製，其條紋間的相位關係會發生變化，數字圖像處理的方法解析出光柵條紋圖像的相位變化量來獲取被測物體錶面的三維信息。

　　基於工業CT斷層掃描圖像逆向工程法

　　這種測量方法對被測物體進行斷層截面掃描,以X射線的衰減繫數為依據，經處理重建斷層截面圖像，根據不同位置的斷層圖像可建立物體的三維信息。該方法可以對被測物體內部的結構和形狀進行無損測量。該方法造價高，測量系統的空間解析度低，獲取數據時間長，設備體積大。美國LLNL實驗室研製的高解析度ICT系統測量精度為0.01mm。

　　立體視覺測量方法

　　立體視覺測量是根據同一個三維空間點在不同空間位置的兩個（多個）攝象機拍攝的圖像中的視差，以及攝象機之間位置的空間幾何關係來獲取該點的三維坐標值。立體視覺測量方法可以對處於兩個（多個）攝象機共同視野內的目標特征點進行測量，而無須伺服機構等掃描裝置。立體視覺測量面臨的最大困難是空間特征點在多幅數字圖象中提取與匹配的精度與準確性等問題。近來出現了以將具有空間編碼的特征的結構光投射到被測物體錶面製造測量特征的方法有效解決了測量特征提取和匹配的問題，但在測量精度與測量點的數量上仍需改進。

　　反求工程也稱為逆向工程、反向工程，是對已有的零件或實物原型，利用3D數字化設備準確、快速的測量出實物錶面的三維坐標點，並根據這些坐標點通過三維幾何建模方法重建實物CAD模型的過程[l1]。實物原型經反求工程技術建立CAD模型之後，可進一步利用CAD／CAE／CAM以及CIMS等先進技術進行處理，複製出實物的樣品模型。下圖所示為反求工程技術的具體工作流程。

　　反求工程技術的具體工作流程

　　一、葉輪原型數字化

　　葉輪原型數字化即對葉輪錶面數據進行測量。目前無損測量主要有兩大類測量方法：接觸式測量和非接觸式測量。非接觸測量適合測量薄、軟工件等，測量速度快，但測量精度較低，不適合測量高精度的工件。接觸式測量常用的是三坐標測量機(CMM)，測量速度較慢，但測量精度高。

　　根據壓氣機葉輪高光順性、高精度的要求，本文采用接觸式測量方法，採用德國WENZEL μ StarLH675三坐標測量儀進行數據採集。

　　1.數據採集方法

　　對壓氣機葉輪，其基體弧形線(外緣弧線、輪轂線)、葉片曲面數據及輪徑即可決定其整體外項目來源：柴油機高增壓技術國家重點實驗室基金資助項目形輪廓，如圖所示：

　　反求葉輪示意圖

　　為了減小大量數據採集對儀器的磨損，減少測量點，由需要獲取的數據及葉輪葉型曲面的外形特點決定，只測量葉輪的一對大小葉片及基體弧形線，分別對葉片的凹凸面、外緣弧線、輪轂線部分採用點位測量法；在葉片的進出口圓角處，由於曲面彎曲程度較大，曲率變化比較劇烈，點位測量法測量時，容易產生打滑，測量得到的點雲數據與真實值相差較大，故採用模擬式探頭對圓角處進行掃描測量，高密度的採點保證了良好的形狀再現性。

　　在葉片測量過程中，將葉輪水平放置的工作臺面設定為XY面，其垂直方向為Z向，如上圖中所示。等Z掃描得到葉片凹凸面的數據，等X(Y)掃描得到葉片進出口圓角的數據，最終得到上圖所示的點雲數據。

　　2.測量結果

　　各部分的測量結果分別如圖所示，測量均在同一個坐標系下進行。

　　大葉片點雲

　　小葉片點雲

　　二、葉輪曲面擬合

　　目前，在逆向工程中主要的曲面構造方案有兩種：其一是以B樣條或非均勻有理B樣條曲面為基礎的四邊曲面構造方案；其二是以三角Bezier曲面為基礎的三角曲面構造方案¨J。本文根據採集點雲的曲率變化趨勢，採用第一種方案進行曲面構建，在ImagewareeO讀入測量得到的葉輪錶面點雲數據，按點一曲線一曲面的數據處理流程，對測量得到的點雲數據進行預處理、曲線按按擬合、曲面重構。

　　1.測量數據預處理

　　主要進行異常點的去除和點雲的平滑處理：通過觀察直接將與數據點集偏離較大的異常點或孤點剔除。

　　在進出口圓角處採用掃描測量法，由於探頭與葉輪錶面間存在摩擦，測得的點雲數據雜點較多，需對其進行平滑處理。

　　處理後的點雲如圖所示。

　　1.曲線擬合

　　通過擬合得到的曲線類型，主要有插值曲線、基於公差的曲線和均勻曲線。插值曲線非常精確；但得到的曲線控制點數目較多，造成曲線的抖動現象；均勻曲線控制點在空間上均勻分佈，可以調節控制點數量使曲線達到最佳光順程度，但其擬合精度不高；基於公差的曲線是用戶指定一個公差範圍，設定曲線控制點的數目來控制曲線的誤差，允許在偏差範圍內控制曲線光順，因而其精確度和光順性都可兼顧。根據葉輪葉型曲面高精度、高光順性要求，採用基於公差的方法來擬合曲線：。

　　(1)根據點雲的變化趨勢，分割出四條走勢比較平滑的截面點雲；

　　(2)設定曲線擬合公差為0.1mm，軟體根據公差範圍和曲線形體尺寸來自動設置曲線控制點的數目，擬合得到四條截面曲線；

　　(3)將四條截面曲線相交、合併、修剪且相交處保持位置連續，最終得到四條連續的曲面邊界線。

　　3.曲面重構

　　Imageware中提供的曲面創建方法很多，可以用曲線通過蒙皮、掃掠、4條邊界線、4邊及點雲、曲線網格混成等方法生成曲面。本文主要是通過4條邊界線、4邊及點雲兩種方法來生成曲面。首先構建出葉輪一對大小葉片的凹凸面、進出口圓角處的曲面，然後將各個曲面片延伸、裁剪、連接，最終得出葉型曲面模型，如圖所示:

　　4.曲面光順及精度檢測

　　重構曲面的光順性非常重要，可以採用反射線檢測方法來檢測，它主要是根據光源打在曲面法向量上的反射比來產生等高線圖，依據流線的平順程度來判斷曲面品質，如果曲面上有細微的缺陷，流線就會通過不規則扭曲表現出來。^[2]下圖為曲面光順性檢測的結果，流線順暢，曲面的光順性程度較高。但葉片凹凸面與進出口圓角曲面拼接處，由於僅能保持相切連續，其曲面光順程度相對較差。

　　由於測量過程中系統誤差、探頭標定、探頭打滑引起的測量誤差等因素的影響，除考慮曲面的光順性外，還需考慮重構曲面與測量點雲之間的誤差，下圖重構得到的葉型曲面與點雲之間的誤差，其誤差範圍保持在O.2mm之內，平均誤差在0.04一0.05mm之間，基本滿足精度要求。

　　三.葉輪實體模型創建

　　葉輪基體弧形線點雲，採用同樣的方法可以擬合得到輪轂面、外形輪廓面的截麵線，通過掃掠可得到創建葉輪的輪轂面、外形輪廓等曲面。

　　然後將所有曲面，進行裁剪、陣列、縫合等操作，得到下圖的葉輪實體模型。為了驗證有限元結構強度分析結果是否合理，按設計模型加工了兩種壓氣機葉輪進行對比試驗，在相同試驗條件下在渦輪增壓器專用試驗台架上分別進行了三次超速破裂試驗。採用加熱外氣源來帶動渦輪增壓器高速運轉，為了能在較短時間內使渦輪增壓器加速到破裂轉速，一般用封蓋將壓氣機進氣口封堵，減少壓氣機葉輪的功率消耗。

　　試驗結果為輪背為平面的壓氣機葉輪在轉速為204535rpm時破裂，而帶有凸台的壓氣機葉輪在轉速為215180rpm時破裂。表為兩種葉輪破壞轉速的計算值與試驗值的對比。

　　兩種葉輪破壞轉速的計算值與試驗值的對比

　　從表中兩種葉輪破壞轉速的計算值與試驗值的對比可看出，葉輪破裂轉速的計算值與試驗值的相對誤差不超過5％，表明利用有限元分析方法能有效預測離心壓氣機葉輪的破壞轉速可較為準確地預測增壓器葉輪的破裂轉速。產生誤差的主要原因主要是試驗中轉速測量的滯後所引起。

　　鑒於壓氣機的增壓能力與葉輪出口輪緣速度的平方成正比，最大工作轉速的增加提高壓氣機的增壓能力。本例中採用輪背帶有凸台的壓氣機葉輪後，理論上可以使增壓能力提高約10％。

　　(1)通過有限元結構分析和試驗研究證明，有限元計算結果與試驗值相比誤差小於5％，二者有較好的一致性；

　　(2)利用有限元分析方法能有效預測離心壓氣機葉輪的破壞轉速；

　　(3)兩種結構的壓氣機葉輪均滿足葉輪結構的強度要求，但葉輪輪背為凸台的葉輪結構更有利於提高壓氣機葉輪的結構可靠性。

　　(4)經過對平面輪背壓氣機葉輪進行結構優化設計，可以使增壓能力提高約10％。

• 創新性反向工程