反求工程及反求设计讲稿

1、反求工程(gngchng)反求设计现代设计(shj)方法主讲人：郑超强 赵荣共五十三页目录Contents Page反求设计的研究(ynji)对象常用(chn yn)的测量方法与建模应用实例什么是反求工程？What is Reverse Engineering?为什么要进行反求？Why should we do RE?怎么进行反求设计？How to make a Reverse design?共五十三页Part ASONY收音机本田(bn tin)摩托车CRH反求工程(gngchng)？什么是反求工程？What is Reverse Engineering?共五十三页反求工程出现(chxin)

2、和发展的时代背景二战结束(jish)后，日本国内一片狼藉，经济萧条，国民经济生产总值仅为英国的 1/29,法国的1/38,落后于欧美等强国2030年。然而，仅仅经过短短1020年 时间的建设，日本一跃成为仅次于美国的世界第二经济强国。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。这使得日本节省了2/3的研究时间和9/10的研究经费。日本是一个会“偷”的国家！共五十三页Part ASONY收音机本田(bn tin)摩托车CRH反求工程

3、(gngchng)？什么是反求工程？What is Reverse Engineering?共五十三页Example中国高铁的技术来源于德国、日本和法国、加拿大，但根据中国的国情和道路状况又在其基础上进行(jnxng)了一定的创新，形成了中国独特的高铁技术。中国巨牛无比的山寨，山寨为什么成不了潮流？中国是一个制造业大国，但还算不上一个制造业强国。引进消化吸收创新 共五十三页反求工程：是消化、吸收、先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合，它以先进产品(chnpn)实物、软件（图纸、程序、技术文件等）或影像（图片、照片等）作为研究对象，应用现代设计理论和方法、生产工程学、材料学及相关专业知识，对

4、其进行系统的分析与研究，探索并掌握其关键技术，进而开发出新产品(chnpn)。Definition：反求工程(gngchng)从引进到创新的三个阶段：应用阶段知其然消化阶段知其所以然吸收创新阶段二次设计反求工程共五十三页Part B传统(chuntng)设计VS反求设计反求设计(shj)优势反求工程？为什么要进行反求？Why should we do RE?共五十三页传统设计过程 如图（a）所示，传统设计是通过工程师的创造性劳动，将一个事先并不知道的事物变为人类需求的产品。为此，工程师首先要根据市场需求，提出目标和技术要求，再进行功能设计，创造新方案，在经过一系列的设计活动之后，得到预期的新产

5、品。概括地说，传统设计是由未知到已知、由想象(xingxing)到现实的过程，回答的是“怎么做？”的问题。传统(chuntng)设计VS反求设计共五十三页反求设计过程(guchng) 反求设计则是从已知事物的有关信息（包括实物、技术资料文件、照片、广告、情报等）出发，去寻求这些信息的科学性、技术性、先进性、经济性、合理性等，并充分消化和吸收，在此基础上进行改进和再创造。图（b）为反求设计过程示意图，回答的是“为什么要这样做？”的问题。传统(chuntng)设计VS反求设计共五十三页传统(chuntng)设计VS反求设计小结 传统设计过程是一个主动的创造性活动，而反求设计过程则是一种高起点的、先

6、被动后主动的创造性活动。一个先进成熟的产品，凝集着设计者的智慧和技术，要在吃透、消化原设计的基础(jch)上设计出更强竞争力的创新产品，别有一番难度，所以说反求设计并非传统设计的简单逆过程。 共五十三页1.快速建立新产品的数据(shj)化模型反求设计(shj)的优势2.显著提高新产品技术水平3.彻底改变新产品传统制造工艺方法4.缩短新产品研发周期5.实现异地(远地)制造或虚拟制造 6.实现快速模具制造(RT)7.快速制造出复杂物体三维模型 利用坐标测量仪器对原产品进行实际测量，快速建立起新产品的原始数据模型，为快速原形制造提供数据来源。坐标数据采集是反求工程中的第一环节，是数据处理、模型重建的

7、基础。常用的测量方法有机械坐标测量法、激光线扫描、光栅法及层切法等。在对原产品原理、结构、材料、精度、使用维护分析的基础上，采用价值工程、人机工程学、相似理论、精度设计、动态设计和可靠性设计等现代优化设计工具对其进行改进和提高，以制造出更好的产品来。因此，反求工程技术有助于企业迅速消化吸收和改进提高国内外先进技术，确保企业自身在同行业中新产品的技术水平优势。反求工程集成制造系统综合运用了CAD/CAE、数控、伺服驱动、激光和材料等先进技术，可在没有传统制造工具的情况下，在短时间内制造出几何形状复杂的物体。快速响应制造是21世纪对制造业更具影响的技术之一。追求完美与个性化的消费需求使产品品种多样

8、化，企业间的竞争不再只是质量与成本的竞争，更重要的是产品上市时间的竞争。采用反求技术可避免走自行开发中不可避免的许多弯路，从而大大缩短新产品的开发周期，为企业快速占领市场创造有利条件。将反求工程与快速原形制造相结合，利用互联网或局域网将三维物体数据方便地读入、传输，实现异地(远地)制造或虚拟制造。共五十三页Part C反求工程一般(ybn)步骤反求设计(shj)具体内容怎么进行反求设计？How to make a Reverse design?共五十三页反求工程(gngchng)步骤Step1零件原形(yunxng)的数字化 通常采用三维坐标测量仪(CMM)或激光扫描仪等测量装置来获取零件原形

9、表面点的三维坐标值。Step3 零件原形CAD模型的重建Step4 重建CAD模型的检验与修正Step2 从测量数据中提取零件原形的几何特征按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型。采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的逆向工程设计要求。共五十三页eg.mastercam生成(shn chn)NC程序eg.标准(bio

10、zhn)模版库，c+分层制造，逐层叠加共五十三页产品设计的指导思想分析(fnx)原理(yunl)方案的分析材料分析反求设计的内容结构分析形体尺寸分析精度分配分析工作性能分析共五十三页反求设计(shj)内容(1) 产品设计的指导思想分析 了解产品设计的指导思想是分析产品设计的重要前提，是明确反求设计要求的关键。不同时期的产品在设计指导思想方面是不同的，并与社会的发展及科技发展水平密切相关。在产品设计早期，人们往往是从完善功能、扩展功能、降低成本方面开发产品，但随着社会的发展，人民生活(shnghu)水平的提高，在保证功能的前提下，产品的精美造型、工作生活(shnghu)的舒适性等也成为设计人员追

11、求的目标. 要分析一个产品，首先要从产品的设计指导思想入手。它决定了产品的设计方案，深入分析并掌握其指导思想是分析了解整个产品设计的前提。了解反求对象的功能将有助于对产品设计方案的分析、理解和掌握，才有可能在进行反求设计时，得到优于原产品的设计方案。共五十三页反求设计(shj)内容(2) 功能原理方案(fng n)分析 各种产品都是按照一定的要求设计的，而满足一定要求的产品，可能有多种不同的形式。所以产品的功能目标是产品设计的核心问题，不同的目标可引出不同的原理方案。例如设计一个夹紧装置时，如果把功能目标定在机械手段上，则可能设计出螺旋夹紧、凸轮夹紧、连杆结构夹紧、斜面夹紧等原理方案。如果把功

12、能目标扩大，则可能出现液压、气动、电磁夹紧等原理方案。充分了解反求对象的功能有助于对产品原理方案的分析、理解和掌握，也才有可能在进行反求设计时得到基于原产品而又高于原产品的原理方案，这也是反求工程技术的精髓所在。尼龙丝割草机的设计理念由来：有杂技演员用鞭子“切纸”和“切烟头”的情景启发了人们用高速度的软物体抽切草的可能性。达到了将草与根基分离的目的。共五十三页反求设计(shj)内容(3) 零部件结构分析 结构设计不仅仅是原理方案的具体化过程，还必须要考虑许多细节，而细节的总和就是质量。因此，零、部件结构分析时除了要考虑提高产品性能（提高强度、刚度、精度、寿命，减少磨损，降低噪声等），还要考虑工

13、艺、装配(zhungpi)、美观、成本、安全、环保等诸多方面的要求和限制。共五十三页(4) 零部件形体尺寸分析 根据拥有反求对象的资料（实物、软件或影像）的不同，在确定反求对象形状尺寸时，所选用的方法也有所不同。若是实物反求，则可对产品直接进行(jnxng)测量；若是软件或影像反求，则可采用参照物对比法、利用透视成像原理和作图技术，并结合人机工程学和相关的专业知识，通过分析计算确定其形状尺寸。对于具有复杂曲线曲面的零件，则要采用一些先进的测绘手段及测绘仪器方可实现。(5)精度分析 精度是衡量反求对象性能的重要指标之一，也直接影响产品的成本。零件尺寸易于获得，但尺寸精度却难以确定，这也是反求设计

14、中的难点之一。合理(hl)分析设计零件精度及其分配关系，对提高产品的装配精度、机械性能，降低产品成本至关重要。eg.极值法、封闭环、尺寸链、增减环、封闭环上下偏差 完全互换法、大数互换法共五十三页（6）材料分析 同一零件采用不同的材料及材料处理方式，对零件的功能、加工工艺、使用性能有着重要影响。探求原设计零件材料的化学成分、结构和表面处理情况，可以使用表面观测、化学分析、金相检验等分析方法。物理试验可以测定材料的各种物理性能和主要的力学性能，确定材料牌号及热处理方式。立足本国资源，必要时选择适用的国产材料替代。替代原则是优先满足力学及物理性能，其次满足化学成分的要求，参照其它同类产品，确定替代

15、材料的牌号及技术条件。eg.材料成分不一样性能也不一样 低碳钢因塑性(sxng)好可作冷冲压的零件 高碳钢硬度高可作切削工具 含合金元素高的不锈钢、耐热钢具有特殊性能eg.热处理不同,材料内部组织不同，性能也不同 高速钢经退火处理后硬度不高，可加工成各种形状 高速钢成形后经淬火回火处理，其硬度高耐磨性好，可作切削工具共五十三页反求设计(shj)内容(7) 工作性能分析 针对产品的工作特点及其主要性能（强度、刚度、精度或寿命等）进行试验测定、反计算和深入的分析，掌握其设计准则和设计规范。在分析产品的运动特性、力学特性过程中，建立合理的数学模型，进行静态、动态的全面分析。例如，某机床厂与法国Ver

16、nier公司合作(hzu)，开发生产DB420型工作台不升降铣键床。（8）造型设计分析60年代开始，出现了工业设计这门新兴设计技术，现在全国高校里也很热门的一个专业。内在质量实用性（结构、性能、寿命）外观质量美观性（形态、色彩、装饰）舒适方便程度舒适性（人机系统协调）eg.书桌的高度适合人体的坐姿、机床上的各种旋钮手柄等必须置于操作员上手范围内、从早期的马氏汽车到现在的流线型汽车、龙门数控钻床共五十三页反求设计(shj)内容（9）工艺分析 在反求工程技术中，反求设计(shj)与反求工艺是相互联系，缺一不可的。在某些情况下，反求工程中工艺问题比设计问题更难处理，因此，在缺乏制造原型产品的先进设备

17、与先进工艺方法和未掌握某些特殊技术的条件下，对反求工程中的工艺问题的处理就显得尤为重要。通常采用的方法有反叛法编制工艺；改进工艺方案，保证原设计的要求；曲线对应法反求工艺参数；材料国产化，局部改进原型结构以适应工艺水平 （10）对产品的维护与管理分析 分析产品的维护与管理方式，了解重要零、部件及易损的零、部件，有助于维修、改进设计和创新设计。共五十三页THANK YOU!Taking a break, will be right back!共五十三页Part D实物(shw)反求软件(run jin)反求反求工程？反求设计研究对象影像反求共五十三页实物(shw)反求 顾名思义，实物反求是在已有

18、实物条件下，通过试验、测绘和详细分折，研制开发出与原型产品相同或相似的新产品。实物反求过程是一个认识产品、再现产品或创造性地开发产品的过程，其中(qzhng)包括功能反求、性能反求、方案、结构、材质、精度、使用规范等众多方面的反求。 反求工程不仅要研究同行的先进技术，而且还要了解竞争对手的水平和动向，如美国著名的寇明斯发动机公司为了了解我国柴油机的水平，就曾引进我国的135系列柴油机进行了反求研究，从他们对其轴瓦材料和工艺分析的研究报告来看，似乎已经完全掌握了该柴油机的技术秘密。只有运用反求技术才能更好的消化国外的先进技术。共五十三页实物反求设计(shj)的分类1整机反求 2部件(bjin)反

19、求 3零件反求 共五十三页实物(shw)反求设计的特点1. 具有形象直观的实物，有利于形象思维2. 可对产品(chnpn)或设备的性能、材料等内容直接进行测试与分析，以获得详细的设计资料3 . 可对产品或设备的尺寸直接进行测试与分析，以获得重要的尺寸设计资料4. 目的是反求仿制时，缩短了设计周期，提高了产品的生产起点与速度5. 仿制产品与引进产品有可比性，有利于提高产品的质量6. 在仿制的基础上加以改进和创新，为开发新产品提供了有利条件共五十三页实物(shw)反求的一般过程（1）分析(fnx)1）功能分析2）原理方案分析3）结构形式分析4）工艺过程分析（2）测试（3）分解（4）测绘（5）改进与

20、创新共五十三页机械设备的反求设计(shj)零部件的测绘(chu)与分析机械设备的分解原则机构系统的反求设计实测尺寸数据的处理测绘的一般方法机械零件材料的反求设计关键零件的反求设计材料成分分析材料的硬度分析材料的工艺分析材料的组织结构分析策略： 功能不变，降低成本。 增加功能，降低成本。 增加功能，成本不变。 减少功能，降低更多成本。 增加功能，增加成本。共五十三页软件(run jin)反求技术软件泛指产品样本资料、产品标准、产品规范，以及与设计、研制、生产制造有关的技术资料和技术文件，如产品图纸、制造验收技术条件、产品设计说明书、计算书、使用说明书和产品设计标准、工具工装设计标准、工艺守则、操

21、作规范、管理(gunl)规范、质量保证手册等。依据这些技术软件，设计新产品的过程，称为软件反求。共五十三页软件(run jin)反求的模式1. 以引进产品实物(shw)、成套设备和生产线为主的硬件模式2.以获得设计、制造、使用与研制技术秘密为主的软件模式吉利公司收购VOLVO的100%股份，获得了包括生产线在内的所有技术我国动车组的研制就是以引进的德国、日本等国家的相关技术在结合国情的情况下研发出来的共五十三页软件(run jin)反求的特点1.抽象性5.相关性2.严密性3.智力(zhl)性4.综合性6.创造性共五十三页影像(yn xin)反求根据产品相片、图片、说明书、广告介绍、参观印象、影

22、视画面等为参考资料，进行产品反求设计的方法称为影像反求设计。影像反求设计具有原始资料面广、量大的特点，为设计人员提供了从较多方案中筛选出较好方案的可能性。而产品广告的图片、资料等仅是简单的外形，性能的概括及使用维修的注意事项，这给反求设计带来了较大的难度，但是也正是因为这样，才能更好地发挥反求设计人员的聪明才智，结合实际进行创新设计。如70年代初，我国前去苏联考察牙轮钻机的代表团，就靠着几张在100M以外拍摄的照片，仿制出我国第一台牙轮钻床。我国的航空、导弹工程在国外禁运、封锁的情况(qngkung)下，也是靠简单的图像等资料，发挥我国技术人员的聪明才智，设计制造出了各种型号的导弹、火箭。共五

23、十三页 影像反求设计中，对图片等资料进行分析是最关键的技术，包括透视变换原理与技术、阴影、色彩与三维信息等技术。随着(su zhe)计算机技术的飞速发展，图像扫描技术与扫描结果的信息处理技术已逐渐完善。通过色彩可辨别出橡胶、塑料、皮革等非金属材料的种类，也可辨别出是铸件或是焊接件，还可辨别出钢、铝、铜、金等有色金属材料。通过外形可辨别其传动形式和设备的部分内部结构。根据拍照距离可辨别其尺寸。当然，图像处理技术不能解决强度、刚度、传动比等反映机器特征的详细问题，更进一步的问题还需要技术人员去解决。共五十三页Part E接触式测量方法非接触式测量方法反求工程(gngchng)？常用(chn yn)

24、的测量方法与建模点云建模共五十三页三维反求技术(jsh)三维反求技术是利用电子仪器去收集物体表面的原始数据，之后再使用软件，计算出采集数据的空间坐标，并得到对应(duyng)的颜色。扫描仪是对物体作全方位扫描，然后整理数据、三维造型、格式转换、输出结果。整个操作过程，可以分为四个步骤：1）物体数据化2）从采集的数据中分析物体的几何特征3）物体三维模型重建4）检验、修正三维模型共五十三页常用(chn yn)的测量方法一.接触式测量方法 （一） 坐标测量机 坐标测量机是一种大型精密(jngm)的三坐标标测量仪器，可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行逆向工程测量。坐标测量机一般采用触发式接触测量头

25、，一次采样只能获取一个点的三维坐标值。九十年代初，英国Renishaw公司研制出一种三维力一位移传感的扫描测量头，该测头可以在工件上滑动测量，连续获取表面的坐标信息，扫描速度可达8米/秒，数字化速度最高可达500点/秒，精度约为0.03mm。这种测头价格昂贵，目前尚未在坐标测量机上广泛采用。坐标测量机主要优点是测量精度高，适应性强，但一般接触式测头测量效率低，而且对一些软质表面无法进行逆向工程测量。 共五十三页（二）层析(cn x)法 层析法是近年来发展的一种反求工程逆向工程技术 将研究的零件原形填充后，采用逐层铣削和逐层光扫描相结合的方法(fngf)获取零件原形不同位置截面的内外轮廓数据，并

26、将其组合起来获得零件的三维数据。 层析法的优点在于任意形状，任意结构零件的内外轮廓进行测量，但测量方式是破坏性的。 共五十三页非接触式反求工程测量方法非接触式测量根据测量原理的不同，大致有光学测量、超声波测量、电磁测量等方式。1.结构光法 结构光法的操作原理是把一定模式的光源，投射到被扫描对象的表面上，投射参考面光源，会被放在该位置的被扫描对象阻挡而发生变形，此时使用不同的镜头摄取不同角度的图像，再分析变形的光源, 就可计算出被测对象表面的整幅图像的三维坐标。结构光法采用的光源以光栅影线较为普遍。目前分析光栅影线变形的方法(fngf)主要有传里叶及相移法。而相移法相对较为准确，这种方法(fng

27、f)的优点是测量的速度很快、扫描的面积大、设备相对轻便方面携带、测量场地没有特别要求。在汽车行业，它普遍被用来扫描汽车的车身等大面积对象。共五十三页 2.激光三角法 激光三角法是在被扫描物的表面用有规则几何图形的激光束，如点光源或线光源，进行扫描，被扫描面便会形成漫反射光点、光带，接着(ji zhe)安装在光路的图像传感器接收这光点、光带，然后利用三角原理计算出被采集点的空间坐标。激光三角法的技术成熟、被广泛使用，扫描速度高、精度高。它的图像传感器体积细而轻，安装方便。它甚至可以它装在三坐标上，安装拆卸轻易，这是它另一个特点。它也可以扫描材质较柔软的对象，如橡胶等。日本的 Konica Min

28、olta公司的非接触仪 Vivid 9i的扫描精度可达0.05mm，只需要2.5秒便可获取精确的数据。 共五十三页3.基于光学三角型原理的逆向工程扫描法这种测量方法根据光学三角型测量原理，以光作为光源，其结构模式可以分为光点、单线条、多光条等，将其投射到被测物体表面采用光电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量根据光点或光条在物体上成象的偏移，通过被测物体基平面、象点、象距等之间的关系计算物体的深度信息4.基于相位偏移测量原理的莫尔条纹(tio wn)法这种测量方法将光栅条纹投射到被测物体表面，光栅条纹受物体表面形状的调制，其条纹间的相位关系会发生变化，数字图像处理的方法解析出光栅条纹图像的相位

29、变化量来获取被测物体表面的三维信息。共五十三页5.基于工业CT断层扫描图像逆向工程法这种测量方法对被测物体进行断层截面扫描,以X射线的衰减系数为依据，经处理重建断层截面图像根据不同位置的断层图像可建立物体的三维信息。该方法可以对被测物体内部的结构和形状进行无损测量。该方法造价高，测量系统的空间分辨率低，获取数据时间长，设备体积大。美国LLNL实验室研制的高分辨率ICT系统测量精度为0.01mm。6.立体视觉测量方法立体视觉测量是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个（多个）摄象机拍摄的图像中的视差，以及摄象机之间位置的空间几何关系来获取(huq)该点的三维坐标值。立体视觉测量方法可以对处于两

30、个（多个）摄象机共同视野内的目标特征点进行测量，而无须伺服机构等扫描装置。立体视觉测量面临的最大困难是空间特征点在多幅数字图象中提取与匹配的精度与准确性等问题。共五十三页反求工程(gngchng)建模点云处理通过激光三维扫描仪等信号采集设备，可以(ky)方便地获取物体表面信息，这些信息通过大量的点来表达，往往形成包含几百万个数据的大型数据包，通常称为点云（Point Cloud）。通过对点云的处理，可以得到物体的表面表达，与数控加工中心结合，能直接将处理结果用于加工生产，从而达到避免设计、修改图纸的繁琐过程的目的。此外，根据点与数据能直接实现三维建模，因此还能实现检测出机械部件的运行情况和机构

31、运行时是否会发生干涉，在虚拟组装和虚拟加工中具有重要意义。共五十三页点云表达(biod)的优点在于可以通过点的组合、曲线拟合、面元拟合和面元组合等方式，实现对任意曲面的无穷逼近。从表达(biod)方法上讲，大致可以分为基于网格和基于点的表达(biod)这两个大类。基于(jy)网格的点云表达以网格作为中介来表达离散点之间的依存关系，从而将点云组织成一个有机的整体，恢复出曲面原貌。通过网格显式地表达物体拓扑结构，具有简单直观的优点，能表现性状任意复杂的物体。基于点的点云表达直接以点作为曲面绘制和造型的基本元素，无需建立网格。它能更有效解决网格方法的高度复杂性问题。不用显式地存储点云数据的拓扑结构，

32、对存储空间要求少，能实现复杂物体的有效绘制，可以方便地修改曲面拓扑。具有高度的数据局部性，可并行处理，能快速实现物体曲面的粗糙表达。共五十三页Part F实物(shw)反求软件(run jin)反求反求工程？反求工程应用领域及实例共五十三页反求工程(gngchng)的应用领域汽车设计、复杂艺术品造型等领域重新建立零件的CAD模型不断对修改后的样品进行(jnxng)测量和模型重建提供对机械产品零件的修复能力借助CT技术，产生物体的外部形状，快速发现、度量、定位物体的内部缺陷方便地产生基于模型的计算机视觉使产品设计充分利用CAD技术的优势，适应信息交换特殊领域的应用共五十三页 情形一：在没有设计图纸(tzh)或者设计图纸(tzh)不完整以及没有CAD模型的情况下，在对零件原形进行测量的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据利用快速成型技术复制出一个相同的零件原型。 情形二：当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用反求工程的方法。 如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试（如风洞实验等）建立