面向创新设计的逆向工程

作者：王英惠 吴维勇

欢迎访问e展厅 展厅 6 三坐标测量机展厅 三坐标测量机, 关节臂测量机, 逆向工程/测量机软件, ... 随着市场竞争的加剧和买方市场的形成，当今制造业的市场竞争焦点发生了转移，已经从过去的"规模效益第一"、"价格竞争第一"和"质量竞争第一"发展到"市场速度第一"，时间因素被提到了首要位置。竞争的特征也发生了变化，当今社会正处于由工业经济时代迈向知识经济时代的进程中，相应的制造业间的竞争特征已经从竞争自然资源向竞争"创新"转变。"创新"要求产品本身具有较高的知识和技术含量，具有高附加值同时要求对产品制造过程中涉及的技术、管理方法、组织、机制和生产模式进行创新。产品是企业的生命线，产品设计可称为"制造业的灵魂"。特别是当今制造业正处于一个动态、突变非平稳的环境，产品的快速创新设计开发能力已经成为决定企业兴衰的重要因素。 1 关于创新设计 作为实现科技创新的重要手段，面向知识经济时代的创新设计具有更加鲜明的时代特点，强调产品设计的个性化、对市场需求的快速响应及知识技术含量高。创新设计中的"新"字，可以指过去从未出现过的东西，也可以是指已知事物的不同组合，但这种组合不是简单的已知事物的重复，而是总有某种新成分跳出现。因此从实施方法来论述，创新设计可分为:(1)"原创型"，即从无到有，创造发明一种全新的技术与产品，如爱迪生发明的白炽灯泡;(2)基于原型的创新设计，即对引进的国内外先进技术和产品进行深入分析研究，探索掌握其关键技术，在消化吸收的基础上进行再设计和再创作，进而开发出同类型的创新产品。这两种方法互为补充，缺一不可。引进、吸收、消化、提高及创新之路是我国机电产品设计、制造行之有效的方法之一，在信息化制造中这一思路就体现为逆向工程。 2逆向工程是实现快速创新设计的重要途径 在设计制造领域，任何产品的问世都蕴含着对已有科学技术的应用和借鉴，并在继承的基础上进一步提高与发展。概括地说，逆向工程是消化吸收国内外先进技术，并在此基础上改进使其达到更高的境界，以实现创新为其最终目的，逆向工程所追求的不应是简单的仿制，而是再提高、再创造。目前对逆向工程的认识存在着一定的误区，认为逆向工程只不过是从实物原型再现直接到实物原型制造的过程，大多数的研究工作也很少将实物原型再现与再设计、再分析、再提高，从而实现重大改型的创新设计联系起来，逆向工程似乎变成了简单仿制的代名词。事实上实物原型再现仅仅是逆向工程的初级阶段，而实现创新设计才是逆向工程的真正目的和最终目标。 据有关资料表明，各国70%以上的技术都来自国外，要掌握这些技术，正常的途径都是通过反求工程。因此反求工程技术的应用对于加快我国科技进步，推动经济建设有着重要的意义，在推行反求工程时，一定要明确反求工程决不是简单的复制，其着眼点更强调创新。 2. 1逆向工程的概念 逆向工程( Reverse Engineering)又称为反求工程，在机电产品设计及制造中主要用到的是实物反求。实物反求的研究对象为引进的比较先进的设备或产品实物，通过对产品的设计原理、结构、材料、工艺装配、包装等进行分析研究，研制开发出性能、结构等方面与原型相似甚至更为先进的产品。实物反求是一个"认识原型一再现原型一超越原型"的过程。 在21世纪知识经济时代，企业产品的快速开发创新能力是决定其能否长期占领市场，在激烈的市场竞争中生存、发展的重要因素。由于逆向工程设计方法通过抽取已有产品或设计方案的主要特征作为新产品设计的基础，可使得产品设计、加工、制造的总周期尽可能地缩短。逆向工程作为近几年发展起来的一种消化吸收原有产品技术、提高产品品质、实现产品创新的设计方法，已引起人们的广泛重视。当前利用逆向工程在已有产品技术的基础上进行再设计，从而提高新产品的性能已经成为一条快捷设计理念。 2.2面向创新设计的逆向工程系统的基本目标 2.2.1缩短新产品开发周期，提高企业市场竞争能力 由于逆向工程是以先进产品或技术为研究对象，通过抽取已有产品或设计方案的主要特征作为新产品设计的基础，因而起点高，速度快，大大缩短新产品开发的周期，节约了研制费用，加快了新产品推向市场的进程，从而更好地满足企业对产品开发和生产发展的需要，提高了企业产品开发能力和市场竞争能力。 2.2.2以信息集成为本质，提高产品开发过程中的决策和控制能力 逆向工程是典型的CAT,CAD,CAE,CAM,VM,RPM等先进计算机辅助技术的综合应用，也是计算机辅助集成制造系统CIMS中工程设计和制造子系统中的一个重要分支。逆向工程成功应用的关键不仅依赖于计算机辅助技术的各个子模块较好地独立完成各项功能，在很大程度上还取决于各模块以信息集成为本质的技术集成和人机集成的程度。逆向工程通过建立从原型或零件返回CAD几何模型的回路，在实体及其几何形状描述之间建立了联系;在虚拟环境下，可根据用户对产品的要求，对其结构、功能、性能、加工、装配和制造过程，以及生产过程进行仿真，并根据产品评价体系提供的方法、规范和指标，为设计修改和优化提供依据和指导，从而形成一个设计闭环系统由于能够在产品开发的早期发现可能存在的问题，使其在成为事实之前予以解决，并通过多方案的比较和选择，面向产品整个生命周期达到全局寻优的目标，进而提高企业产品开发过程中的决策和控制能力。 2.2.3提高产品自主设计能力，促进技术创新和培养创新设计人才 新事物的出现是需要人们付诸努力去学习、创造和发明的，而通过反求可达到既学习又能尽快掌握新技术、缩小差距的目的。要完成一项反求任务，进而再创造，需学习和掌握众多知识和经验，促使人们不断去探讨"为什么这样做"，进而深化到"应该怎样做"。特别是正在发展中的我国更要重视和掌握这种艺术和技术，目前中外合资和技术引进后的国产化，存在着大量的反求工作。国产化就要创新，反求的本质就是再创造，没有相应的技术人才就很难胜任这些工作。科学地开展逆向工程的研究和应用，有助于开阔设计人员的眼界，能够尽快培养新人，使其设计思想发生深刻变革，进而促进技术革新，提高产品自主设计能力，为创新设计的理论探讨和技术实践积累宝贵经验。 2. 3面向创新设计的逆向工程系统的概念模型 面向创新设计的逆向工程是一个"认识原型-再现原型-超越原型"的过程，也是一种综合运用多种先进技术，以实现创新、提高产品设计品质为最终目的新的设计方法。在概念模型中，十分强调对原型的再创造设计是实现创新设计的重要阶段，即运用设计人员的创新思维、设计经验和专业知识，通过对重构的产品模型进行原始设计参数还原、性能分析及虚拟仿真、设计综合评价后，根据产品特点在功能、原理、结构、尺寸、工艺、材料等各方面加以改进提高，从而实现真正的创新设计。在各主体功能模块中使用到多种计算机辅助技术，体现了先进的理论与技术对现代的面向创新设计的逆向工程的支撑作用。此外，尽管前期的市场调杳、产品决策等过程与后期的产品销售、服务维修等过程并不直接作用于逆向工程，但这些是面向产品全生命周期的创新设计所必须考虑的环节，因此把它们归为相对于主体过程而言的辅助过程。 2. 4面向创新设计的逆向工程系统的体系结构 为了保证重构模具的后续再设计能力，三维重构方案采用正向设计与逆向工程有机结合的思想。考虑到我国CAD技术推广应用的时间较长，面世的通用CAD/CAM软件已为众多企业掌握，这一国情促使科研人员不必再进行CAD软件的基础开发工作，而是只需编制与正向设计的通用CAD软件的接口，以实现产品定义数据的交换，利用通用CAD软件各种功能在该软件环境中实现模型的三维重构及后续的再设计工作，从而有效地实现逆向工程的快速创新性。 2.5关键技术分析之一:原始设计参数还原 基于面向创新设计的概念模型及体系结构，面向创新设计的逆向工程系统的关键技术有数据采集、数据处理、几何建模与三维重构、原始设计参数还原、面向设计制造的综合可视化技术等5个方面。由于文中十分强调对原型的再创造设计是实现创新设计的重要阶段，而原始设计参数还原是实现基于原型再创作设计的重要手段，因而只论述这一关键技术，其他关键技术不予赘述。 2.5.1逆向工程中的参数体系 在逆向工程中存在的参数共有4种:重构参数、实物原型参数、原始设计参数及再设计参数。 原型重构后的三维模型自然是具有各种参数的(主要是几何形状参数)。这些参数是逆向工程中依据三维测量点经重构运算得到的，体现在重构的三维模型上，可称其为重构参数;逆向工程的反求对象本身具有固定的形状和参数，这种体现在原型上的参数称为实物原型参数;原型在最初被制造时，要依据设计图纸上所标注的参数，这种体现在制造原型设计图纸上的参数称为原始设计参数，这也是制造原型的原始参数;逆向工程应依据实际环境条件、当前市场需求及产品性能、规格的变化进行再设计，提供后续制造所需要的设计参数，这种对于原始设计参数的最优修正结果就是再设计参数，再设计参数体现了创新设计的水平。这4种参数就构成了逆向工程的参数体系。显然，原始设计参数是形成实物原型参数的基础，而实物原型参数是形成重构参数的基础，再设计参数是对重构参数进行再设计修改后得到的，则重构参数是再设计参数的基础。由此可见，直接由反求得到的重构参数不是实物原型参数，更不是原型的原始设计参数。 2.5.2逆向工程中的误差分析 先来比较一下重构参数与原始设计参数之间的误差，设该误差为重构误差△构。在重构计算中，从采集的数据点到最终的模型产生是一个逼近的过程，不可避免地会产生误差，记其为计算误差△计;在对原型采集数据时，会产生测量误差△测;原型本身也带有误差，一种是制造原型产生的制造误差△制，另一种是原型在使用过程中产生的磨损和破损误差△损。重构误差由这4种误差所组成，可用数学形式表示为: △构=f(△计，△测，△损，△制) 为了提高重构精度，目前的逆向工程技术采取了许多措施，如提高数据采集精度，提高拟合计算精度。这些措施都是必要的，可减小测量误差△测和计算误差△计，但却不能彻底解决问题。因为这样的结果只能尽可能地使重构参数接近实物原型参数，却无法消除制造误差△制和磨损误差△损的影响。 以上分析更加明确了在逆向工程研究中如果将反求出的重构参数视为实物原型的原始设计参数是错误的。称逆向工程中可以得到的重构参数为显性参数;而由于实物原型参数是未知的，原始设计参数更是未知的，因而称其为为隐性参数。正是由于这种隐性性质，使得逆向工程中原始设计参数还原的研究非常必要。 2.5.3原始设计参数还原 从配合关系上，零件上的尺寸可分为两类。一类是非配合尺寸，它只保证零件本身的形状和位置，不保证该零件与其它零件的相互联系及装配要求。另一类是配合尺寸，它不但保证零件本身的形状和位置，而且还要保证零件与其它零件的相互联系及装配要求。对于配合尺寸，需要进行原始设计参数还原和精度设计。依据原型的重构参数来确定原始设计参数的工作称为原始设计参数还原，包括原始基本尺寸的还原和原始精度参数的还原。重构参数包含原型的制造误差、测量误差、三维重构的计算误差和磨损误差。对于一个具体的原型个体及具体的测量、重构而言，这些误差的具体数据是无法确定的，因此采用数学解析方法是不可能计算出原始设计参数的。原始设计参数的还原不能用数学公式来简单求解，属于非结构化问题，是需要利用知识和推理过程来求解、需要大量的经验才能求解的复杂问题。因此该问题应采用基于知识的专家系统，并综合运用人工神经网络、数理统计、相似理论等相关学科的知识，根据原型的功能、工况、安装条件等具体情况来求解。由于这是一个全新的研究工作，需要在理论和实践方面探索有关的理论和算法。 3结束语 逆向工程是制造业实现快速产品创新设计的重要途径，实物原型的再现仅仅是逆向工程的初步阶段，在此基础上进行的基干原型的再设计、再分析、再提高，从而实现重大改型的创新设计.才是逆向工程的真正价值和意义所在。(end)

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