反求设计的技术应用

1、反求设计的技术应用吴松泽(13机电转，1316948006 )摘要介绍了反求工程的基本概念和体系结构， 叙述了表面数字化技术、表面重建 技术、零件形体尺寸反求设计、公差反求设计、零件材料的反求设计等反求工程 的一些关键技术，阐明了反求工程的应用。关键词：反求工程；机械设计；零件测绘；设计技术 ：工业设计1引言反求工程，又称为逆工程，是现代设计方法中的一门新兴的技术。它是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。反求厂程以先进产品设备的实物、软件或影像作为研究对象，应用现代设计理论方法、生产工程学、材 料学和有关专业知识进行系统深入的分析和研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类的先

2、进产品。反求工程技术不是简单的复制和模仿，它不仅仅要求 CAD/CAE/CAM计算机 辅助设计/分析/制造)等计算机辅助模块能较好的独立完成各项工作，而且关 键在于各子模块之间的信息集成，将已存在的实物零件转化为数字模型， 从而运 用CAD/CAE/CAI等计算机辅助模块对该零件进行工程分析、再设计、制造等进行 集成化的并行处理。从而保证新产品在新环境下表现出更加优良的性能， 并使设 计效率大人提高，从而缩短了产品开发周期。2反求工程应用领域反求工程的主要应用领域有：当产品原始设计文档不可得时，复制一个产品；当需要对一个产品进行分析、评价、改进，以重构一个新的改进产品；审美及外形设计甚为重要，

3、需要全尺寸模型的领域，如汽车、飞机工业;生产适合人体表面的特种装备，如头盔、太空服、器官假体等；3反求工程的关键技术3.1表面数字化技术表面数字化就是通过特定的测量设备和测量方法获得零件表面离散点的几 何坐标数据。只有获得了样件的表面三维信息，才能实现复杂曲面的建模、评价、 改进、制造。因而，高效、高精度地实现样件表面的数据采集，这是反求工程的 主要研究内容之一。在反求工程中，传统的数字化方法是采用接触式测量，其典型代表是三坐标测 量机。随着快速测量的需求及光电技术的发展，以计算机图像处理为主要手段的 非接触式测量技术得到飞速发展。常用的非接触式测量方法一般可分为被动视觉 和主动视觉两大类。被

4、动式方法中无特殊光源，只能接收物体表面的反射信息， 因而设备简单、操作方便、成本低，但算法较复杂。主动式方法使用一个专门的 光源装置来提供目标周围的照明，通过发光装置的控制，能使系统获得更多的有 用信息，降低问题难度。3.2数据点云的预处理技术获得的数据一般不能直接用于曲面重构， 因为对于接触式测量，由于测头半 径的影响，必须对数据点云进行半径补偿；在测量过程中，不可避免会带进噪声、 误差等，必须去除这些点；对于海量点云数据，对其进行精简也是必要的。包括: 半径补偿、数据插补、数据平滑、点云数据精简、不同坐标点云的归一化等。3.3表面重建技术复杂曲反求工程的目标是根据离散的数据点集构造出分段、

5、光滑的CAD莫型，因此重建技术成为反求工程的关键技术面的 CAD重构是逆向丁程研究的重 点。而对于复杂曲面产品来说，其实体模型可由曲面模型经过一定的计算演变而 来，因此曲面重构是复杂产品逆向工程的关键。3.4曲线曲面光顺技术在基于实物数字化的逆向工程中，由于缺乏必要的特征信息，以及存在数字 化误差，光顺操作在产品外形设计中尤为重要。 根据每次调整的型值点的数值不 同，曲线/曲面的光顺方法和手段主要分为整体修改和局部修改。光顺效果取决 于所使用方法的原理准则。方法有：最小二乘法、能量法回弹法、基于小波的光 顺技术等。4公差的反求设计机械零件尺寸公差确定的优劣，直接影响部件装配和整机的工作性能。零

6、件 的公差一般是不能测量的，只能通过反求设计来解决。4.1配合公差的反求根据基本尺寸，选择配合精度，按两者差值小于或等于所对应公差一半的原 则，最后决定出公差的精度等级和对应的公差值。4.2形位公差的反求根据对零件的实测结果选择形位公差时，要注意以下原则：确定同一要素上的形位公差时，形状公差值要小于位置公差值。要分清两 者的关系，如要求两平面平行时，其平面度公差值要小于平行度公差值。圆柱类零件的形状公差值在一般情况下应小于其尺寸公差值。形位公差值与尺寸公差值相适应。（4）形位公差值与表面粗糙度相适应。粗糙度很大，一般无形位公差要求。（5）选择形位公差时，要考虑到加工方法。依据上述几个原则，最后

7、根据零件 的功能、实测尺寸、加工方法，参照国家标准，选择出合理的形位公差。4.3表面粗糙度的反求机械零件的表面粗糙度可用粗糙度仪较准确地测量。测量出来后，再根据零 件的功能、实测值、加工方法，参照国家标准，选择出合理的表面粗糙度。5零件材料的反求设计零件材料的选择与热处理直接影响到零件的强度、刚度、寿命、可靠性等指 标，是机械设计中的重要问题。材料的成分分析是指确定材料中的化学成分。对材料的整体、局部、表面进 行定性分析或定量分析时，可通过以下手段：（1）火花鉴别法。根据材料与砂轮磨削后产生的火花定性判别材料的分。（2）音质判别法。根据敲击材料声音的清脆不同，判别材料的成分。如铸铁音 质哑，钢

8、材的音质脆、余音长。6反求设计中的计算机辅助技术在反求设计中应用计算机辅助技术，可以大大减少人工劳动，有效缩短设计、 制造周期。尤其是将自动测量、重构模型、自动成型、数控加工结合起来，用于 三维实体造型的设计与反求，更是能够体现现代设计、加工技术的优越性。三维 实体的数据测取与处理为反求三维实体的物理模型，经常采用的仪器设备是三坐标测量仪、坐标扫描仪、激光扫描仪或数字仪等。通过测取实物表面的形状、尺 寸数据，将实体的物理模型转化为数字数据， 再将这些数据交由数字处理统，利 用计算机辅助技术，通过对数据的编辑、处理、修补，就能方便地在计算机中建 立三维实体的几何模型，并允许对所获得的几何模型进行

9、适当的修改。 三维实体 的再造计算机辅助技术允许利用已获得的三维实体几何模型，通过对数据进行刀具轨迹编辑，自动生成轨迹，交由机床进行数控机械加工。若生成的是文件，则 可将信号输人快速自动成型机，进行原型制造。事实上，在计算机、三坐标测量 仪、数控加工及成型设备之间建立起网络连接，数据与信号的传输更是快捷、迅 速。7反求工程及实现过程反求工程实现方法主要有两种：基于实物模型的反求工程技术和影像反求设 计法。7.1基于实物模型的反求工程过程基于实物模型的反求工程技术常用于先进产品的仿制与创新开发。即必须对实物进行三维数字化处理，数字化手段包括传统测绘和各种先进的测量方法， 将 获得的三维离散数据作

10、为初始素材，借助专用的曲面处理软件和 CAD/CAM系统构 造实物的CAD模型，输出NC （数控）加工指令或STL文件驱动快速成型机制造 出产品或原型。7.1.1三维数据采集反求工程一般起始于测量一个已存在的实体，以获取建立CAD莫型的原始数 据。7.1.2数据处理对所获得的三维数据，必须运用专用的曲面分析软件，构造出建模所需要的 曲线和曲面。EZISIS（曲线曲面分析软件）是一个用于评定未知自由益面截面的检 测数据及其他无规则几何特征的软件包。以三坐标测量机（CMM为代表的接触式测量数据法为实际工程中常用的方式。CMMS统帮助进行自动检测过程，减少手 动检测误差，并为反求工程提供精确的数据资

11、料。EZISIS的使用包括几何特征计算，设计部分与实际部分的比较，测头补偿，能对CMh所提供的数据进行准确 分析处理，并把结果转化为IGES格式文件，以便以后用Pro/E进行处理。7.1.3用三维软件反求建模常用的三维CAD软件有UG Pro /E、Solidwork等。它们都有很多功能强大 的模块，如零件建模模块，工程图模块，模具加工模块，数控加工模块等等。这 里我们用零件建模模块，根据前面所获得的数据，进行零件实体建模。7.1.4 NC加工或快速成型实体模型构建完后，可以在 CADS统中新建一个NC文件，打开零们：建模 的模型，选择制造设备，设置各种参数，其中包括机床、刀具、夹具、参照、退

12、 刀等的设置，选择加工中的NC序列，进行序列设置，包括刀具的选择、曲线的 选择、参数的设置等，就可以进行加工过程中的动态模拟。确定加工过程准确无误后就可以通过网络传输将生成的 NC加工代码直接传输到加工：中心行加工生 产。此外，还可以将零件模型文件直接转换为 STL文件，传输到快速成型机，快 速成型产品。7.2影像反求设计过程所谓影像反求设计法，简单地说就是以照片、产品样本、说明书、专利等为 参考资料，分析先进产品的结构，再现原型或“构思模型”，进行新产品设计。 影像反求法不同于基于实物模型的反求法，它没有具体的实物作参考，只能根据产品样本、说明书、照片等作参考，从技术、工艺、结构、传动等方面

13、进行分析， 逐点剖析，攫取其设计原理、功能和关键技术。影像反求法的设计原则是：能再现原型的，尽力再现原型；不能再现原型的， 运用以往所积累的经验构思模型。同时，应该把技术、工艺、结构、传动等方面 综合起来考虑，有些从技术方面来讲，无疑是世界上最先进的，但从工艺方面来 考虑。在应用影像反求设计法中，对一些从未接触过且毫无把握的结构， 可以进行 模拟试验。实验成功后，再将其结构大胆的应用于其他系统中。结构确定后，其 后续过程与基于实物反求设计法过程基本上一致。8结束语反求工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术。反求工程有其独特的 共性技术和内容，还是一门新兴的交叉学科分支，正如高新技术层出不穷，解密 技术亦要相应发展。在工程专业领域，需有设计、制造、试验、使用、维修、检 测等方面知识；在现代设计法领域，应有系统设计、优化、有限元、价值工程、 可靠性、工业设计、创新技法等知识；在计算机方面，需有硬件和软件的基本知反求工程充分利用了计算机辅助设计技术、现代先进的加工制造技术和现代 设计理论方法，大大的缩短了新产品开发周期，增强了创新设计的能力，在自主 开发新产品方面具有重要意义。参考文献【1】