反求工程课程论文

基于逆向工程和SLA的“小猪”设计造型及

加工

摘要

科技发展和市场竞争对产品设计提出了更高的要求,即产品多样化、外形美观、更新换代周期缩短；同时,也促进了产品设计、制造过程的发展。近年来,许多产品的制造要求基于现有的原型或实物,由此产生了反向工程(Reverse Engineering,RE)的概念。

本文主要是介绍反求工程的概念及其起源，并对其关键技术进行详细的介绍，以及论述反求工程的用途、应用现状和前景，并对快速成型做简单介绍，并记述了在本次课程中的一次课程实验。

关键词：反向工程；RE；快速成型；SLA；应用情况；发展前景；实验；

1、反求工程的基本概念

科技发展和市场竞争对产品设计提出了更高的要求,即产品多样化、外形美观、更新换代周期缩短；同时,也促进了产品设计、制造过程的发展。近年来,许多产品的制造要求基于现有的原型或实物,由此产生了反向工程(Reverse Engineering,RE)的概念。反向工程是指根据实物模型测得的数据,构造CAD 模型,继而进行分析制造。在传统的产品设计制造过程中,新产品设计起源于由功能需求产生概念设计,再进行详细设计,最终产生完整CAD模型,继而进行分析、制造。与反向工程对应,称通常的产品设计、制造过程为正向工程。反向工程是缩短产品开发周期的一种有效途径,特别是形状复杂的物体或自由曲面组成的物体,例如:流线型物体、人体器官、雕塑品、模具等。

反求工程(Reverse Engineering)这一术语起源于20世纪60年代,但对它从工程的广泛性去研究,从反求的科学性进行深化还是从20世纪90年代初刚刚开始。反求工程类似于反向推理,属于逆向思维体系.它以社会方法学为指导,以现代设计理论,方法,技术为基础,运用各种专业人员的工程设计经验,知识和创新思维,对已有的产品进行解剖,分析,重构和再创造,在工程设计领域,它具有独特的内涵,可以说它是对设计的设计。

反求工程技术是测量技术,数据处理技术,图形处理技术和加工技术相结合的一门结合性技术.随着计算机技术的飞速发展和上述单元技术是逐渐成熟,近年来在新产品设计开发中愈来愈多的被得到应用,因为在产品开发过程中需要以实物(样件)作为设计依据参考模型或作为最终验证依据时尤其需要应用该项技术,所以在汽车,摩托车的外形覆盖件和内装饰件的设计,家电产品外形设计,艺术品复制中对反求工程技术的应用需求尤为迫切。

反求工程是将数据采集设备获取的实物样件表面或表面及内腔数据,输入专门的数据处理软件或带有数据处理能力的三维CAD软件进行处理和三维重构,在计算机上复现实物样件的几何形状,并在此基础上进行原样复制,修改或重设计,该方法主要用于对难以精确表达的曲面形状或未知设计方法的构件形状进行三维重构和再设计。

反求工程是综合性很强的术语，它是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计，这就是反求工程的含义，特别强调再创造是反求的灵魂。

2、反求工程的起源

二次大战中，几十个国家卷入战祸，饱受战争创伤。特别是战败国，在二战结束后，急于恢复和振兴经济。日本在60年代初提出科技立国方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。为要国产化的改进，迫切需要对别国产品进行消化、吸收、改进和挖潜。这就是反求设计(Inverse Design)或反求工程(Inverse Engineering)，这两者是同一内涵，仅是不同国家的不同提法。发展到现在，己成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段或重要对策，反求工程的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。

实际上，任何产品问世，包括创新、改进和仿制的，都蕴含着对已有科学、技术的继承和应用借鉴。因而反求思维在工程中的应用已源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则是60年代初出现的。

市场经济竞争机制已渗透到各个领域，如何发展科技和经济，世界各国都在研究对策。从共性特征可概括为4个方面对策：(1)大力提倡创造性。包括新的思维方式、新原理、新理论、新方案、新结构、新技术、新材料、新工艺、新仪器等等。对于发展一个国家的国民经济来说，创造性是永恒主题。(2)研究和应用新的设计理论、方法去改造和完善传统的方法，使能既快又好地设计出新型产品。(3)把计算机应用广泛地引入产品设计、开发的全过程(预测、决策、管理、设计制造、试验、销售服务等)中，以期达到这些过程的一体化、智能化和自动化。(4)研究和应用反求工程，使能在高的起点去创造新产品。

3、反求工程的关键技术

反向工程与正向工程的主要区别在于CAD模型的产生过程,由实物产生CAD 设计模型的过程称为反向工程几何建模,是反向工程最基本最关键的功能,也

是反向工程的研究重点,此过程分为两个阶段:数据获取（即数据点的测量技术）；CAD模型的建立（即数据处理3D模型的重构技术）。

3.1数据点的测量

数据获取是由实物测量出数据点的过程,可以有多种方式进行数据测量,图1对可用于反向工程数据测量的方法进行了详细分类。

图1.反求工程数据获取方法分类

破坏性测量主要是自动断层扫描法,该技术采用逐层去除材料与逐层扫描相结合的方法,其特点是可以测量内轮廓数据,而且测量精度高,片层最小可达0.01mm。

非破坏性测量分为接触式测量和非接触式测量,目前最常用的接触式测量系统是三坐标测量仪(CMM),其优点是不受物体表面颜色及光照的限制;对物体边界也能产生准确的测量结果。缺点是由于测头的限制,可能丢失某些测头不可到达的细节数据；不可测量某些测头不可触及的软材料；另外,测量速度受到机构运动的限制。

非接触式测量分为主动式测量和被动式测量,主动式系统有专门仪器产生测量光源或声源,被动式测量则没有。最常用主动式测量是激光三角形测量法,基本原理是利用激光源投射到被测表面,反射光在图象传感器上成像,按照预设计的三角形光路原理得到被测点的位置坐标。光源形状可以是光束、光带、多条皮带,依次具有更高的速度。与CMM相比,其特点是可以实现高速测量。其缺点是对于表面粗糙度、漫反射率敏感;存在阴影效应(由物体间或物体各部分遮