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逆向工程研究

作者:  信息来源:海克斯康测量技术(青岛)有限公司 卢开所  2006-2-12

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摘要:本文论述了逆向工程的起源与发展,并对逆向工程涉及的相关技术进行了探讨和研究。 关键词:逆向工程、正向工程、三坐标测量机、数据采集、重建、数字产品及智能化1. 概述:人类社会发展至今,已经历了几千年研究和探索,在各方面都积累丰厚的知识财富和科技成果,它是产品开发的基础,是人类的宝贵财富。这就要求把大...
摘要:本文论述了逆向工程的起源与发展,并对逆向工程涉及的相关技术进行了探讨和研究。
关键词:逆向工程、正向工程、三坐标测量机、数据采集、重建、数字产品及智能化

1. 概述:

人类社会发展至今,已经历了几千年研究和探索,在各方面都积累丰厚的知识财富和科技成果,它是产品开发的基础,是人类的宝贵财富。但由于历史的局限,在没有计算机的时代,大多数遗产都是用模拟的方式记录的,在当今数字化时代,要快捷地利用这些知识和成果,实属不便。这就要求把大量的模拟信息转化为数字化的模型,以供以后产品开发所用。在机械产品方面,我们可以利用逆向工程的思想,用三坐标测量机来快速地完成转换。

翻开几千年人类探索和研究的历史,你会发现,每一项成果都是在前人研究的基础上,模仿自然界和人类社会在相关领域、具有相应特长、特性的事物、动物或人来实现的。看到天空中的飞鸟,我们仿制了飞机,但飞机比鸟飞得更高、更快、更远;看到海中游的鲸,人们仿制了潜艇,但潜艇比鲸潜得更深、体积更大、续潜能力更强;… 这就是说人类一直在学习现有事物、研究现有事物、仿制现有事物,即人类一直在采用逆向工程的方式工作,不仅仿制原型,而且超越原型。

通过样件开发产品的过程人们称为逆向工程,和产品正向设计过程相反。逆向工程主要是研究他人或现存的系统或产品,发现其规律,以复制、改进并超越现有产品或系统的过程。逆向工程不仅仅是对现实世界的模仿,更是对现实世界的改造,是一种超越。它所涉及的关键技术主要包括:三维实体几何形状数据采集、规则或大量离散数据处理、三维实体模型重建、加工等。
逆向产品研发流程如下图:

2. 三坐标测量机是逆向工程的数据采集器,是逆向工程的数据源。

三坐标测量机是近几十年来,随着计算机、机床业的飞速发展而产生的一种高效高精度的测量仪器。它采用坐标测量的原理,在计算机软件的控制和驱动下,完成对工件几何尺寸和形位公差的三坐标数据采集。它有机地结合了数字控制技术,利用了计算机软件技术,采用了先进的位置传感技术和精密机构技术,并使之完美结合。它顺应了硬件软件化的技术发展方向,使诸如齿轮、凸轮、涡轮涡杆等以前需要专用检测设备才能完成工件,现在可用通用的三坐标测量机进行数据采集,结合相应测量、评价软件来实现专业的检测、评价功能。

通过了解三坐标测量机的原理,人们很容易知道其优越的特性:高效、高精度、高柔性而又具有相当的专用性。采用先进传感技术、数字控制技术、计算机软件控制和处理技术,使得三坐标测量机具有很高的数据采集和处理效率;它以精密的机械主体为基础,采用软件控制和补偿技术,再配以高精度的位置传感器,可实现很高的精度。它实现空间坐标点的测量,采用计算机软件来完成产品几何尺寸、形位公差的评价,不同类型的产品只要调整软件即可完成,这既使得三坐标测量机具有很高的柔性,又具有相应的专用性。

逆向工程要仿制样品,就要有相应的数据信息。数据采集是逆向工程的起点,是逆向工程的基本活动。

基于上述三坐标的特性,可以说三坐标测量机是逆向工程理想的数据采集器。

3. 逆向工程中数据采集规划

采集规划目的是使采集的数据正确而又高效。正确是指所采集的数据足够反映样件的特性而不会产生误导误解;高效是指在能够正确表示产品特性的情况下,所采集的数据尽量少、所走过的路径尽量短、所化费的时间尽量少。
对产品数据采集,有一条基本的原则:沿着特征方向走,顺着法向方向采。就好比火车,沿着轨道走,顺着枕木采集数字信息。这是一般原则,实际应根据具体产品和逆向工程软件来定。下面分三个方面来介绍。

规则形状的数据采集规划:

对规则形状诸如点、直线、圆弧、平面、圆柱、圆锥、球等,也包括扩展规则形状如双曲线、螺旋线、齿轮、凸轮等,数据采集多用精度高的接触式探头,依据数学定义这些元素所需的点信息进行数据采集规划,这里不做过多说明。虽然我们把一些产品的形状归结为特征,但现实产品不可能是理论形状,加工、使用、环境的不同,也影响着产品的形状。作为逆向工程的测量规划,就不能仅停留在“特征”的抽取上,更应考虑产品的变化趋势,即分析形位公差。

下表是各规则元素数学描述所需的最小数据点数,要描述其公差与变化,实际需要测量更多的点。

自由曲面的数据采集规划:

对非规则形状,统称自由曲面,多采用非接触式探头或二者相结合。原则上,要描述自由形状的产品,只要记录足够的数据点信息即可,但评判足够数据点是很难的。实际数据采集规划中,多依据工件的整体特征和流向,进行顺着特征走,法向特征扫的数据采集规划;对局部变化较大的地方,仍采用这一原则进行分块补充。

智能数据采集规划:

当前智能数据采集还处于刚开始阶段,但它是三坐标测量机所追求的目标,它包括样件自动定位、自动元素识别、自动采集规划和自动数据采集。

4. 逆向工程是产品研发的有效工具

产品研发并非空中楼阁,需要在现有的产品和技术上进行研发,现有的产品并非都有数学模型和数据信息,人们往往需要用逆向工程的方式来进行数据采集和数学模型还原。

一般产品在刚开始工作时,并非处于最佳状态,要工作一段时间后,经过机构间的有效啮合,才能达到比较理想的工作状态,这时产品各部分的几何尺寸和形位公差才是我们设计所追求的。但这时的产品和设计的原样已有一定差别,需要用逆向工程的方式获取当前理想工作状态下的数据,以改进设计。

可见,逆向工程是产品研发的有效、适用的工具。

5. 逆向工程中产品重建规划

逆向工程的数据处理过程包括:分析现有产品或系统,对其原理进行抽取,结合新技术、改进并超越现有产品(第三步实际是正向工程)。

分析:分析现有产品或系统,找出其工作原理的关键数据。现阶段有手工分析、自动分析和智能分析三种分析方式。

抽取:按一定规则从数据中识别出产品原型中的各元素和各特性,抽取也是一个数据过滤和加密的过程。

产品重建:重建按重建的方式分线架重建、面片重建和整体重建。

线架重建是按人们从线到面的思维方式进行的,CAD/CAM发展早期重建软件基本都采用线架重建模式。当前流行的线架重构软件主要有UG、ProE、Catia、Surfacer、CopyCAD等,其中Surfacer和CopyCAD在线架抽取方面非常有特色。

面片重建是直接从样件数据中抽取面片,上述软件都能完成这样的任务,但效果并非理想,其主要原因是分块和拼接不是很方便和有效。ProE新出的ICEM软件在面片重建方面很有特色,它可辅助用户完成分块和自动拼接。

整体重建实际上是智能化的重建过程,既包括线架重建和面片重建,又包括产品的实体构造,主要由软件自动化地完成,其更注重产品整体。

数字产品:

逆向工程所产生的数字产品,是真实产品的数字化,同时可在模拟的环境中模拟的工作状态,排除和改进当前产品原型的不足,从而超越样品。

6. 加工:

加工是将数字产品转化为真实产品的过程,加工的规划和数据采集有很多相似的地方,这里不过多说明。逆向工程的加工更注重加工工艺的自动化和加工的自动化完成。

7. 总结:

仿制是产品发展的原动力,逆向工程是产品研发的有效途径。逆向工程把三坐标测量机、CAD/CAM/CAE软件、CNC机床有机而又高效地结合在一起,成为产品研发和生产的一个高效、便捷的途径。

逆向工程不仅仅是产品的仿制,它更肩负着数学模型的还原和再设计的优化等多项重任。

当前,虽然逆向工程发展已取得了长足进展,逆向工程的概念已深入人心,并被广泛应用于各个领域,不仅是机械产品的研发;先进企业都纷纷采用逆向工程模式进行产品研发和生产。但产品逆向工程还是一个不完全成熟的过程,各个环节仍有待于进一步完善、探索和研究,并没有非常完善的解决方案。

三坐标测量机作为逆向工程的数据源,其尺寸有待于朝着超大型和超微型两个方向发展;其测头有待于朝着高效、快捷、多用途方向发展;其软件要求功能强大且操作简便,算法可重用性强。逆向工程中的重构软件要求重构效率高、操作边界和重构效果好。

总之,三坐标测量机朝着智能化方向发展,逆向工程也朝着智能化方向发展。

参考文献:
1. 张国雄等 三坐标测量机 天津大学出版社,1999
2. 曹麟祥,汪慰军.三坐标测量机的现状、发展与未来.宇航计测技术,1996,
3. Brown&sharpe前哨相关技术资料 海克斯康测量技术(青岛)有限公司
4. CAD/CAM计算机辅助设计与制造 期刊

Email: lukaisuo@chinabnsmc.com
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