随州职业技术学院 贺 剑

基于逆向工程的产品技术应用

随州职业技术学院 贺 剑

在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程，即设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后通过绘制图纸建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入到制造流程中，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们称为“正向设计”过程。逆向工程产品设计可以认为是一个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程。通过数字化测量设备（如坐标测量机、激光测量设备等）获取的物体表面的空间数据，需要利用逆向工程技术建立产品的三维模型，进而利用CAM系统完成产品的制造。因此，逆向工程技术可以认为是将产品样件转化为三维模型的相关数字化技术和几何建模技术的总称。

一、产品逆向工程概念与理论框架探讨

从工程角度讲，产品逆向工程必须有有效的工程方法和支持工具，从现有实物进行反求设计也是产品正向设计过程的求逆问题。因此，产品正向工程的可操作性、过程可逆性以及有无有效的工程方法和支持工具，是产品逆向工程的基础理论问题。产品设计理论的这种状况决定了产品正向工程的可操作性差、无可逆性可言以及缺乏有效的（创新的）工程设计方法和支持工具。因此，现有反求工程限制于详细设计阶段的局部设计问题，产品创新设计和结构设计理论研究成为产品正向和逆向工程的瓶颈问题。

结构设计将抽象的工作原理具体化为某类构件或零部件，是设计中至关重要的内容。但是，现实产品和零件结构千变万化，在结构表达、结构构思过程描述等方面，成为产品设计工作的巨大障碍。目前，对于具体产品结构，甚至是简单结构，尚不能用可操作的构思过程逐步描述。现有设计理论研究，无法满足人类有效积累和重用设计知识和经验的愿望。分解重构原理揭示了创新设计的本质特点，并提供了强大的可操作创新设计自动化理论研究和技术开发指导。广义定位原理根据人类对人造物控制的本质要求，研究发现人造物相对其他客体的位置确定性是一个普遍要求，成为人造物结构设计应该遵循的基本原理之一，为产品结构设计自动化铺平了道路。生物基因工程的发展对产品设计产生了初步影响，产品之间的知识遗传和传递体现了产品信息基因特征，产品概念设计过程表明有产品基因存在，产品生长型设计找到了产品内在的可操作基因。进一步的产品基因工程研究表明，产品创新设计过程研究的基础理念可以像生物基因那样存在，人造产品存在设计基因和实用的可操作生长过程，产品设计和开发的全生命周期是可以认识和控制的过程。

二、逆向工程分类

从广义讲，逆向工程可分以下三类。

1. 实物逆向。顾名思义，它是在已有实物条件下，通过试验、测绘和分析，进行再创造。其中包括功能、性能、方案、结构、材质、精度、使用规范等多方面的逆向。实物逆向对象可以是整机、部件、组件和零件。

2. 软件逆向。产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等，均称为技术软件。软件逆向中有三类情况。

（1）既有实物，又有全套技术软件。

（2）有实物而无技术软件。

（3）无实物，仅有全套或部分技术软件。

3. 影像逆向。无实物，无技术软件，仅有产品相片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面等，要通过构思、想象来逆向，称为影像逆向，这是逆向对象中难度最大的。影像逆向本身就是创新过程，目前还未形成成熟的技术。一般要利用透视变换和透视投影，形成不同透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识角度，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构。

三、逆向工程技术流程

1. 逆向工程从一个物理零件或模型开始决定下游工程。

2. 点处理过程。主要包括多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。

3. 曲线处理过程。决定所要创建的曲线类型。曲线可以设计得与点的片段相同，或让曲线更光滑些；由已存在的点创建出曲面；检查或修改曲线，检查曲线与点或其他曲线的精确度、平滑度与连续的相关性。

4. 曲面处理过程。决定所要创建的曲面类型，可以选择创建的曲面以精确为主或以光滑为主，或两者居中；由点云或曲线创建曲面；检查或修改曲面，检查曲面与点或其他曲面的精确度、平滑度与连续的相关性。

5. 误差分析。应该考虑被测物对机构引起的综合轨迹误差、逆向工程设计所依据的数据值存在的测量误差、设计中的被测物存在的加工误差、设计中的曲线拟合存在的拟合误差等。

四、逆向工程技术的应用领域

1. 对产品外形美学有特别要求的领域，由于设计师习惯于依赖3D实物模型对产品设计进行评估，因此产品几何外形通常不是应用CAD软件直接设计的，而是首先制作全尺寸的木质或黏土模型或比例模型，然后利用逆向工程技术重建产品数字化模型。

2. 当设计需经实验才能定型工件模型时，通常采用逆向工程的方法。例如航天航空、汽车等领域，为了满足产品对空气动力学等的要求，需进行风洞等实验，建立符合要求的产品模型。此类产品通常是由复杂的自由曲面拼接而成的，最终借助逆向工程，转换为产品的三维CAD模型及其模具。

3. 在模具行业，常需反复修改原始设计的模具型面。可将实物通过数据测量和处理产生与实际相符的产品数字化模型，对模型修改后再进行加工，将显著提高生产效率。因此，逆向工程在改型设计方面可发挥正向设计不可替代的作用。

4. 逆向工程也广泛用于修复破损的文物、艺术品或缺乏供应的损坏零件等。

5. 借助于工业CT技术，逆向工程不仅可以产生物体的外部形状，而且可以快速发现、定位物体的内部缺陷。

五、结论

产品逆向工程概念理论上有必要把实物反求阶段扩展到人类设计思维的反求高度。设计自动化理论，特别是产品基因工程，是产品逆向工程的理论基础，逆向工程的产品技术应用在工程领域中具有重要价值。