发动机仓盖内板逆向设计
摘 要：逆向工程（又称逆向技术），是一种产品设计技术再现过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。逆向工程源于商业及军事领域中的硬件分析。其主要目的是在不能轻易获得必要的生产信息的情况下，直接从成品分析，推导出产品的设计原理。
关键词：扫描测量原理；曲线曲面理论；快速原型制造；逆向工程
1逆向工程概述
1.1逆向工程定义及其应用
逆向工程（Reverse Engineering,RE），也称反求工程或反向工程等，它起源于精密测量和质量检验。广义的逆向工程是消化和吸收先进技术的一系列工作方法的技术组合，它包括影像逆向、软件逆向和实物逆向等三个方面。目前，大多数关于逆向工程的研究主要集中在实物的逆向重构上，即产品实物的CAD模型重构和最终产品的制造，被称为“实物逆向工程”。这种从实物样件获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术，已成为CAD/CAM系统中的一个研究及应用热点，并发展成为一个相对独立的领域。在这意义下，“实物逆向工程”（简称逆向工程）可定义为：将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程[1]。
一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容：
（1）新零件的设计，主要用于产品的改型或彷型设计。
（2）已有零件的复制，再现原产品的设计意图。
（3）损坏或磨损零件的还原。
（4）数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较[2]。
由下图1.1可了解逆向工程的整个产品的开发过程。
图1.1 产品开发流程
1.2逆向工程系统
随着计算机技术的发展，逆向工程技术和先进制造技术的结合日趋紧密，如20世纪80年代初发展起来的快速原形技术、基于网络的异地设计及制造技术等，在产品设计和制造阶段都需要逆向工程技术的支持[3]。同时，逆向工程技术也和计算机辅助测量（CAT）、辅助设计（CAD）、辅助制造（CAM）以及计算机辅助工程分析（CAE）密切相关。逆向工程成功应用的关键不仅在于各计算机辅助子模块能较好地独立完成各项工作，很大程度上还取决于各个子模块的计算机集成程度。可以说，逆向工程是CAT/CAD/CAM/CAE等先进的计算机辅助技术集成应用的一个典型例子。如何将这些技术组成一个整体，即集成逆向工程系统，是逆向工程技术应用研究的一个重要方向[4]。
逆向工程系统主要由三部分组成：产品实物几何外形的数字化子系统、三维CAD模型重建子系统、产品或模具的制造子系统等[5]。
1.3产品实物几何外形的数字化系统
产品表面数字化又称数据测量，是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据，在此基础上，就可以进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。因而，高效、高精度地实现样件表面的数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之一，是逆向工程中最基本，最不可缺少的步骤。数据获取在产品设计师与逆向工程及CAD/CAM/CAE/RP/CNC之间扮演着桥梁的角色[6]。可以这么认为，数据测量是逆向工程的基础，测量数据的质量与最终模型的质量密切相关，直接影响到整个工程的效率和质量。实际应用中，常发生因模型表面数据获取的问题而影响重构模型精度的情况。因此，如何取得较佳的物体表面数据，一直是逆向工程的一个主要研究内容。
2 CATIA V5介绍
2.1 CATIA 在制造业的应用
CATIA 的全称为Computer-Aided Three-dimension Interactive Application，是集成CAD、CAM、CAE的大型软件，由法国达索系统公司开发，是全球制造业的主流设计软件[7]。
CATIA 广泛应用于制造业的各个领域，从航空、汽车、造船、通用机械到电子电器、生活用品。许多世界知名的公司如波音、克莱斯勒、宝马、奔驰、本田、丰田等都使用CATIA作为主要的设计软件。
随着中国制造业的发展，特别是汽车工业的发展，随着越来越多的国际把生产和开发工作引入中国，CATIA也在不断地普及和深入[8]。
2.2 CATIA V5概貌
CATIA V5涵盖了机械设计、外形设计、分析与仿真、工厂设计、数控加工、数字化样机、数字样机、设备与系统、人体工程和知识工程等丰富的内容。包含了所有CATIA V5模块的菜单。每个使用CATIA V5的企业都只是用其中的一部分模块，但是，了解一下CATIA V5所包含的模块还是很有用的。
“基础模块”包含了的模块，装配件的产品结构、材料库、与CATIIA早期版本接口、标准件库编辑器和能够实现逼真、美丽的渲染效果的照片工作室和室时渲染，还有虚拟现实、特征字典编辑器等模块[9]。
3 逆向工程的应用领域
几何建模是逆向工程的关键环节，同时也是影响逆向工程速度的瓶颈问题，因此，提高逆向工程几何建模的自动化程度和通用性是逆向工程研究的一个重点方向。这是一种逆向工程几何建模自动化系统，具有体现设计意图的特征建模的特点，数据点的组织方式不限，输出的B-rep模型与现有商用CAD系统完全兼容。系统的关键技术在于特征的自动提取、组合自由曲面的光滑连接[10]。
提高系统的集成性，有些情况CAD 模型并不是必需的，或者为了最快的制造产品，需要数字化系统与CMM 的直接结合；另外，有些产品(例如注塑模、注塑件的设计)需要多次进行CAE 分析，由数据点直接产生CAE 模型，可极大地提高产品的设计、分析过程，在上一节已有一些集成系统的应用实例，大多是根据具体情况的部分集成，邢渊提出了完整的逆向工程集成系统框架，具有CAD、CAE、CAM 多个数据接口，采用了面向对象的集成方法。关键技术是通用、开放的产品数据库结构[11]。
逆向工程可以迅速、精确、方便地获得实物的三维数据及模型,为产品提供先进的开发、设计及制造的技术支撑。据统计,国外70%以上的技术来自于反求。逆向工程已成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带,并成为消化和吸收先进技术、实现新产品快速开发的重要技术手段。以下是其在各领域的应用。
1.在缺少图纸及没有CAD模型的情况下,通过对零件原型的测绘,形成图纸或模型,并由此生成数控加工的NC代码,加工复制出与其相同的零件。
2.在对产品外观有较高美学要求的领域,如汽车、家电等民用产品以及工艺品的外型设计,设计师往往使用油泥、黏土或木头等材料先制作模型,这时根据所提供的模型运用反求工程的技术,可以快速准确地建立三维立体模型。
3.当设计需要经过反复试制、修改、或者需要通过实验测试才能定型的零部件(如在航空航天领域业和模具制造业)时,反求工程可缩短过程。
4.应用于修复破损的艺术品或缺乏供应的被损零件,如修复破损的雕像、雕刻及艺术造型等。此时并不需要对整个零件原型进行复制,而是借助反求工程技术获取零件原形的设计思想来指导新的设计。这是由实物反求推理出设计思想的一种渐近过程。
5.对于国外的产品,要对其不适合国内使用处进行修改时,可以通过逆向工程建立三维模型进一步改进。
6.逆向工程技术与医学的结合日益紧密,在骨缺损的修复、人工关节、人工骨、整形复体、人工器官等医学假体设计中具有极其重要的作用。通过逆向造型,可以为患者提供更为准确的个性化设计替代物模型,使得缺损部位与替代物能更好地匹配,提高缺损修复的成功率。
7.特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据,并要求产品与人体部位有相当好的形状适应性,此时,可利用逆向工程实现这一要求。
8.可实现电视、电影产业的3D造型。随着先进制造技术、计算机技术的不断进步,逆向工程技术也得到相应发展,包括其关键技术如三维测量、数据处理以及快速制造技术等,相信将来的逆向工程技术将会和产品制造等技术结合得越来越紧密,并在更多的领域发挥其显著的作用[12]。
参考文献
［1］王霄，刘云霞等编著.逆向工程技术.北京：化学工业出版社，2004
［2］凯德设计/编著.CATIA V5从入门到精通.北京：中国青年出版社，2008
［3］王霄，刘云霞等编著.CATIA逆向工程实用教程.北京：化学工业出版社，2006
［4］单岩，谢斌飞等编著. CATIA V5逆向工程设计.北京：清华大学出版社，2004
［5］游立明等编著.VATIA V5 曲面设计从入门到精通.北京：电子工业出版社，2006
［6］唐永革等编著.汽车车身结构与设计.沈阳：沈阳航空航天大学北科，2011
［7］唐永革等 编著.汽车车身计算机辅助设计.沈阳：沈阳航空工业学院，2009
［8］尤春风等编著.CATIA V5曲面造型.北京：清华大学出版社，2002
［9］宁贵欣编著.CATIA V5 工业造型设计实例教程.北京：清华大学出版社，2005
［10］陈家瑞主编.汽车构造（下册）. 北京：机械工业出版社，2007
［11］Michael L. Nelson .A Survey of Reverse Engineering and Program Comprehension [J].ODU CS 511Software Engineering Surver, 1996, 65-69.
［12］Tilly S.R The canonical activities of reverse engineering[C].Annals of Software
Engineering,2000(9)249-271.
