機(jī)械制造領(lǐng)域中逆向工程技術(shù)的應(yīng)用

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摘要:隨著智能制造的逐步發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的相關(guān)員工提出了更高的技術(shù)要求，有關(guān)人員應(yīng)能夠熟練地運(yùn)用CAD、CAM等工具來完成相關(guān)的工作。主要分析了逆向工程技術(shù)，并針對(duì)其在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞:逆向工程技術(shù);機(jī)械制造領(lǐng)域;應(yīng)用

引言

目前，逆向造型、精密測量與檢驗(yàn)等崗位具有越來越重要的地位。通過將逆向工程技術(shù)與CAD、CAM等先進(jìn)的制造技術(shù)相結(jié)合，能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的發(fā)展提供一個(gè)新的發(fā)展思路。對(duì)逆向工程技術(shù)進(jìn)行研究和分析，能夠有效地提高工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平。

1逆向工程技術(shù)概述

1．1逆向工程技術(shù)的基本概念

逆向工程又名反向工程，簡稱RE，是一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)再現(xiàn)過程，即對(duì)一項(xiàng)目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行逆向分析及研究，從而演繹并得出該產(chǎn)品的處理流程、組織結(jié)構(gòu)、功能特性及技術(shù)規(guī)格等設(shè)計(jì)要素，以制作出功能相近但又不完全一樣的產(chǎn)品。逆向工程源于商業(yè)及軍事領(lǐng)域中的硬件分析，其主要目的是在不能輕易獲得必要生產(chǎn)信息的情況下，直接從成品分析推導(dǎo)出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理。逆向設(shè)計(jì)與正向設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，正向設(shè)計(jì)是一個(gè)“從無到有”的過程，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)、功能以及一些相關(guān)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行構(gòu)思，使用CAD技術(shù)構(gòu)建產(chǎn)品的三維模型，最后把三維模型引入實(shí)際的生產(chǎn)制造中，完成設(shè)計(jì)制造的全部周期。而逆向工程則是一個(gè)“從有到無”的過程，首先需要根據(jù)現(xiàn)有的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的圖紙以及相關(guān)的數(shù)據(jù)，之后再進(jìn)入產(chǎn)品的制造階段。

1．2逆向工程技術(shù)的分類

逆向工程技術(shù)根據(jù)所求的數(shù)據(jù)可以劃分為幾何反求、工藝反求以及材料反求等。幾何反求就是根據(jù)實(shí)物樣品的幾何輪廓中的數(shù)字化信息來反求出樣件的CAD模型。通過利用三維掃描儀能夠?qū)?shí)物進(jìn)行專業(yè)化的精準(zhǔn)掃描，進(jìn)而將搜集到的產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在軟件中實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)模型的CAD重構(gòu)，從而得到樣件的三維實(shí)體模型。通過三維實(shí)體模型能夠?qū)Ξa(chǎn)品或者模具進(jìn)行制作，也可以對(duì)原有的產(chǎn)品進(jìn)行不同程度的改型以及仿型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。工藝反求和材料反求則是對(duì)產(chǎn)品的制作工藝和使用流程進(jìn)行推理，從而得出產(chǎn)品的實(shí)際制作方法。

2逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)

2．1常用的測量技術(shù)

在逆向工程中常用的有3種測量方法，分別是接觸式測量、非接觸式測量以及逐層掃描式測量。①接觸式測量，一般在物理模型上打點(diǎn)時(shí)使用這種方法，通過利用三坐標(biāo)測量機(jī)提取三維坐標(biāo)打點(diǎn)的相關(guān)信息，接觸式測量精度高，但測量效率較低。②非接觸式測量，這種方法所能獲得的測量數(shù)據(jù)較多，信息的密度較大，測量進(jìn)度也好，因此在實(shí)際逆向開發(fā)的過程中得到了廣泛地應(yīng)用，在一定程度上提高了工作的效率。③逐層掃描式測量，這種方法不僅能夠得到產(chǎn)品外形的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，還能對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)部形狀數(shù)據(jù)等進(jìn)行逐層掃描和分析，能解決前面兩種無法測量物體內(nèi)部輪廓的問題。以上測量方法都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，選用那種測量方法應(yīng)根據(jù)被測物體的形體特征和應(yīng)用的場合來決定。

2．2數(shù)據(jù)處理技術(shù)

數(shù)據(jù)分割就是根據(jù)組成實(shí)物外形曲面的子曲面類型，將屬于同一子曲面類型的數(shù)據(jù)分為一組，將全部數(shù)據(jù)劃分成代表不同曲面類型的數(shù)據(jù)域，后續(xù)的曲面模型重建時(shí)，先分別擬合單個(gè)曲面片，再通過曲面的過渡、相交、裁減、倒圓等手段，將多個(gè)曲面“縫合”成一個(gè)整體，對(duì)模型進(jìn)行重建。數(shù)據(jù)分割可以分為自動(dòng)分割和基于測量的分割兩種方式，自動(dòng)分割又包括了基于面和基于邊的兩種基本方法。①基于面的數(shù)據(jù)分割是以曲面光滑連續(xù)為前提，對(duì)具有相同曲面性質(zhì)的點(diǎn)進(jìn)行推斷，并根據(jù)相應(yīng)參數(shù)的性質(zhì)來對(duì)相同面的點(diǎn)進(jìn)行判斷，由于實(shí)際生活中的物體并不是完全光滑和連續(xù)的，因此使用這種方式推斷出的參數(shù)也存在一定的誤差;基于邊的數(shù)據(jù)分割是要先將數(shù)據(jù)點(diǎn)集中起來，根據(jù)各種特征對(duì)具有相同類型的曲面片的邊界點(diǎn)進(jìn)行判斷，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分割，這種方式的缺點(diǎn)在于尖銳邊上的測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較低。②基于測量的分割是在測量的過程中，有關(guān)工作人員將實(shí)物的外形特征進(jìn)行分類，具有不同的外形特征的曲面被分成不同的子曲面，將其結(jié)果導(dǎo)入到CAD中，能夠?qū)Σ煌臄?shù)據(jù)類型進(jìn)行高效地處理和分析，為之后的造型提供一定的便利，這種方式在測量曲面特征明顯的實(shí)物外形時(shí)最為適用，也可用于接觸式的測量中。需要注意的是，使用這種方式時(shí)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平將會(huì)對(duì)測量的結(jié)果產(chǎn)生極大的影響。在測量數(shù)據(jù)時(shí)很容易產(chǎn)生一些噪音，通過數(shù)據(jù)平滑的方式能夠盡可能地降低噪音、提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，如采用高斯濾波、均值濾波和中值濾波的計(jì)算方法。由于測量系統(tǒng)的不同，最終得到的數(shù)據(jù)格式也是不完全一致的，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步地處理，保證后續(xù)CAD模型重建的順利進(jìn)行。

2．3曲面重構(gòu)技術(shù)

在逆向工程中曲面重構(gòu)技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)，在開始進(jìn)行工作前，應(yīng)對(duì)相關(guān)的零件進(jìn)行檢查和分析。一方面，需要形成一套完善的設(shè)計(jì)方案，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到前后的流程和具體的措施，之后再對(duì)模型的特征區(qū)域進(jìn)行劃分，最后對(duì)整體的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行整合，制定出更加完善的設(shè)計(jì)方案。另一方面，需要確定構(gòu)成設(shè)計(jì)模型的曲面類型，在進(jìn)行曲面重構(gòu)的過程中選擇合適的方法和工具來促進(jìn)曲面重構(gòu)技術(shù)的順利進(jìn)行。

3逆向工程技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用

3．1損壞或磨損零件的還原

對(duì)于一些損壞或者磨損的零件，能夠利用逆向工程技術(shù)對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行提取，之后對(duì)其進(jìn)行還原和修補(bǔ)。由于零件表面已經(jīng)發(fā)生磨損，這就容易在測量時(shí)出現(xiàn)誤差，因此逆向工程系統(tǒng)需要具有一定的推理和判斷能力。

3．2新產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用

逆向工程能夠?yàn)闄C(jī)械制造領(lǐng)域提供一個(gè)高效的模型重構(gòu)全新手段，幫助該領(lǐng)域完成從實(shí)物到三維模型的直接轉(zhuǎn)換。在工業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，存在一些產(chǎn)品對(duì)于外觀的設(shè)計(jì)有特殊的要求，必須在設(shè)計(jì)中充分地考慮到產(chǎn)品外形的藝術(shù)性和美觀性。如汽車、飛機(jī)等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，這些產(chǎn)品都是需要相關(guān)的設(shè)計(jì)師先結(jié)合產(chǎn)品的美觀性和藝術(shù)性來建立一個(gè)比例模型，之后再進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)，對(duì)模型產(chǎn)品進(jìn)行必要的評(píng)估，逐步地完善設(shè)計(jì)方案，最后利用逆向工程技術(shù)將三維的CAD模型轉(zhuǎn)化成實(shí)物，這不僅能夠減少產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的周期，也能提高生產(chǎn)效率。

3．3模具制作領(lǐng)域的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的模具制造過程中，需要對(duì)模具進(jìn)行反復(fù)地試模和修改，最終得到滿足要求的模具。逆向工程技術(shù)能夠?qū)颖灸＞咦鳛楫a(chǎn)品的對(duì)象，對(duì)滿足要求的模具進(jìn)行測量，在重建數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上生成加工程序，提高模具的生成效率，降低模具的生產(chǎn)成本。除此之外，逆向工程技術(shù)還可以將實(shí)物的零件作為產(chǎn)品的對(duì)象，通過逆向推理的方式求得CAD模型，之后再對(duì)模具進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計(jì)，這種方式能夠在一定程度上減少修模量。

3．4工藝藝術(shù)品的復(fù)制

對(duì)于一些有價(jià)值的工藝品來說，復(fù)制也是一項(xiàng)具有重大意義的工作，如一些手工藝大師的作品大多都只有一件，但是如果需要對(duì)其進(jìn)行推廣應(yīng)用，就需使用逆向工程技術(shù)得到工藝品的三維數(shù)據(jù)信息，建立實(shí)物的三維模型，有助于藝術(shù)品后續(xù)進(jìn)行復(fù)制推廣。

4結(jié)語

逆向工程技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，具有成本低、研發(fā)周期短等優(yōu)勢，這項(xiàng)技術(shù)在后續(xù)的發(fā)展中將會(huì)具有更加明顯的優(yōu)勢和更為廣闊的應(yīng)用空間，從而為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品造型的設(shè)計(jì)提供全新的方式。

參考文獻(xiàn):

［1］劉雯．淺談逆向工程與快速成型技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用———評(píng)《逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用》［J］．材料保護(hù)，2020，53(4):175．

［2］王茂羽．逆向工程在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用探討［J］．?dāng)?shù)碼設(shè)計(jì)(上)，2020，9(3):65－66．

作者：張競龍 單位：廣州市工貿(mào)技師學(xué)院