反求工程

    反求工程(Reverse Engineering)这一术语起源于20世纪60年代,但对它从工程的广泛性去研究,从反求的科学性进行深化还是从20世纪90年代初刚刚开始.反求工程类似于反向推理,属于逆向思维体系.它以社会方法学为指导,以现代设计理论,方法,技术为基础,运用各种专业人员的工程设计经验,知识和创新思维,对已有的产品进行解剖,分析,重构和再创造,在工程设计领域,它具有独特的内涵,可以说它是对设计的设计。

    反求工程技术是测量技术,数据处理技术,图形处理技术和加工技术相结合的一门结合性技术.随着计算机技术的飞速发展和上述单元技术是逐渐成熟,近年来在新产品设计开发中得到愈来愈多的应用,因为在产品开发过程中需要以实物(样件)作为设计依据参考模型或作为最终验证依据时尤其需要应用该项技术,所以在汽车,摩托车的外形覆盖件和内装饰件的设计,家电产品外形设计,艺术品复制中对反求工程技术的应用需求尤为迫切。

    反求工程是将数据采集设备获取的实物样件表面或表面及内腔数据,输入专门的数据处理软件或带有数据处理能力的三维CAD软件进行处理和三维重构,在计算机上复现实物样件的几何形状,并在此基础上进行原样复制,修改或重设计,该方法主要用于对难以精确表达的曲面形状或未知设计方法的构件形状进行三维重构和再设计。

    反求工程是综合性很强的术语，它是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计，这就是反求工程的含义，特别强调再创造是反求的灵魂。

    反求工程技术的研究对象多种多样,所包含的内容也比较多,主要可以分为以下三大类:

①实物类:主要是指先进产品设备的实物本身;

②软件类:包括先进产品设备的图样,程序,技术文件等;

③影像类;包括先进产品设备的图片,照片或以影像形式出现的资料.

反求工程包含对产品的研究与发展,生产制造过程,管理和市场组成的完整系统的分析和研究.主要包括以下几个方面:

    掌握原产品设计的指导思想是分析了解整个产品设计的前提.如微型汽车的消费群体是普通百姓,其设计的指导思想是在满足一般功能的前提下,尽可能降低成本,所以结构上通常是较简化的.

    探索原产品原理方案的设计各种产品都是按定的使用要求设计的,而满足同样要求的产品,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.产品的功能概括而论是能量, 物料信号的转换.例如,一般动力机构的功能通常是能量转换,工作机通常是物料转换,仪器仪表通常是信号转换.不同的功能目标,可引出不同的原理方案.设计一个夹紧装置时,把功能目标定在机械手段上,则可能设计出斜楔夹紧,螺旋夹紧,偏心夹紧,定心夹紧,联动夹紧等原理方案;如把功能目标确定扩大,则可设计出液动,气动,电磁夹紧等原理方案.探索原产品原理方案的设计,可以了解功能目标的确定原则,这对产品的改进设计有极大帮助.

    产品中零部件的具体结构是实现产品功能目标是保证,对产品的性能,工作能力,经济性,寿命和可靠性有着密切关系.

    确定产品的零部件形体尺寸分解产品实物,由外至内,由部件至零件,通过测绘与计算确定零部件形体尺寸,并用图样及技术文件方式表达出来.它是反求设计中工作量很大的一部分工作.为更好地进行形体尺寸的分析与测绘,应总结箱体类,轴类,盘套类,,齿轮,弹簧,曲线曲面及其它特殊形体的测量方法,并合理标注尺寸.

    确定产品中零件的精度确定零件的精度(即公差设计),是反求设计中的难点之一.通过测量,只能得到零件的加工尺寸,而不能获得几何精度的分配.精度是衡量反求对象性能的重要指标,是评价反求设计产品质量的主要技术参数之一.科学合理地进行精度分配,对提高产品的装配精度和力学性能至关重要.

确定产品中零件的材料通过零件的外观比较,重量测量,力学性能测定,化学分析,光谱分析,金相分析等试验方法,对材料的物理性能,化学成分,热处理等情况进行全面鉴定,在此基础上,遵循立足国内的方针,考虑资源及成本,选择合用的国产材料,或参照同类产品的材料牌号,选择满足力学性能及化学性能的国有材料代用.

    确定产品的工作性能 针对产品的工作特点机器主要性能进行试验测定,反计算和深入地分析,了解产品的设计准则和设计规范,并提出改进措施.

    对产品的外形构型,色彩设计等进行分析,从美学原则,顾客需求心里,商品价值等角度进行构型设计和色彩设计.

   分析产品的维护和管理方式,了解重要零部件及易损零部件,有助于维修及设计的改进和创新.

    反求工程（逆向工程）是近年来发展起来的消化，吸收和提高先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合，其主要目的是为了改善技术水平，提高生产率，增强经济竞争力。世界各国在经济技术发展中，应用反求工程消化吸收先进技术经验，给人们有益的启示。据统计，各国百分之七十以上的技术源于国外，反求工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大提高了生产率。因此研究反求工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高，具有重大的意义。

    反求工程（逆向工程）的应用领域大致可分为以下几种情况：

    在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有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。

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。比如航天航空领域，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）建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。

    在美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，而不采用在计算机屏幕上缩小比例的物体投视图的方法，此时需用反求工程的设计方法。

    修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等，此时不需要对整个零件原型进行复制，而是借助反求工程技术抽取零件原形的设计思想，指导新的设计。这是由实物逆向推理出设计思想的一种渐近过程。

1 实物原型的数字化技术

    实物样件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法，获取零件表面离散点的几何坐标数据的过程。随着传感技术、控制技术、制造技术等相关技术的发展，出现了各种各样的数字化技术，如图所示。

    以上获得的数据一般不能直接用于曲面重构，因为：1)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；2)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；3)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

3 三维重构基本方法

    复杂曲面的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。包括：多项式插值法、双三次Bspline法、Coons法、三边Bezier曲面法、BP神经网络法、

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

5 逆向工程的误差分析与品质分析

    反求工程（逆向工程）一般可分为四个阶段：

第一步: 零件原形的数字化

    通常采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描仪等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。

第二步: 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。

第三步: 零件原形CAD模型的重建

    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。

第四步: 重建CAD模型的检验与修正

    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。

    反求工程（逆向工程）中常用的测量方法

    反求工程中（逆向工程）的测量方法可分成两类:接触式与非接触式。

    坐标测量机

    坐标测量机是一种大型精密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，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。

    层析法

    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获取零件原形不同位置截面的内外轮廓数据，并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。

    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。以下仅将在反求工程中最为常用与较为成熟的光学测量方法（含数字图像处理方法）作一简要说明。

    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，并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。

基于相位偏移测量原理的莫尔条纹法

    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变化量来获取被测物体表面的三维信息。

    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。

    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该点的三维坐标值。立体视觉测量方法可以对处于两个（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。近来出现了以将具有空间编码的特征的结构光投射到被测物体表面制造测量特征的方法有效解决了测量特征提取和匹配的问题，但在测量精度与测量点的数量上仍需改进。

    二次大战中，几十个国家卷入战祸，饱受战争创伤。特别是战败国，在二战结束后，急于恢复和振兴经济。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。这就是反求设计(Inverse Design)或反求工程(Inverse　Engineering)，这两者是同一内涵，仅是不同国家的不同提法。发展到现在，己成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段或重要对策，反求工程的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。

    实际上，任何产品问世，包括创新、改进和仿制的，都蕴含着对已有科学、技术的继承和应用借鉴。因而反求思维在工程中的应用已源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则是60年代初出现的。

    市场经济竞争机制已渗透到各个领域，如何发展科技和经济，世界各国都在研究对策。从共性特征可概括为4个方面对策：(1)大力提倡创造性。包括新的思维方式、新原理、新理论、新方案、新结构、新技术、新材料、新工艺、新仪器等等。对于发展一个国家的国民经济来说，创造性是永恒主题。(2)研究和应用新的设计理论、方法去改造和完善传统的方法，使能既快又好地设计出新型产品。(3)把计算机应用广泛地引入产品设计、开发的全过程(预测、决策、管理、设计制造、试验、销售服务等)中，以期达到这些过程的一体化、智能化和自动化。(4)研究和应用反求工程，使能在高的起点去创造新产品。

    任何一项新技术、新产品，应该受到有关保护法(如专利法、知识产权法、商标法等)的法律保护，这是国际性的共同行为规范，这才能引导正常的市场竞争和贸易。反求工程绝不等于偷技术，它是在科技道德和法律制约下，从学术、工程、技术方面来促进科技的发展。这是因为：(1)任何产品的设计、开发，总要借鉴、继承已有的知识和技术，市场上的产品总要被别人借鉴，关键要划清产权的界限。(2)青出于蓝而胜于蓝是发展规律，通过反求来发展新产品，起点高，周期短，成效快，决非照抄照搬。(3)科学的反求，有助于促进技术革新，扩大眼界，有助于尽快培养新人。

但应该强调，作为一个国家、民族，为发展科技和振兴经济，不能全靠反求来生存；鼓励独立的创造性永远是主旋律或主题。

    反求工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术。尽管国内外已有大量成功经验，但目前还很少有这方面系统的论著，大多散见在各个行业的案例或设计资料中，很多企业也不愿将其反求技术公开。

    应该看到，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识；等等。总之，现行产品中的各种复杂、高新技术，在反求工程中都会遇到如何消化吸收问题。

    现代设计理论和方法包括通用的(不针对具体工程专业)和专用的(针对工程专业)的两大范畴。科技发展日新月异，如果说早期的反求活动偏于模仿性、经验性、粗略近似的技术活动，用传统的、常规的方法基本可以胜任，那么对现代产品中高新技术和复杂多样的技术就无能为力。例如用断裂力学设计的产品，使用中出现裂纹是正常的，要想用经典力学去反求是无法解释的；高次方组合曲线或曲面的零件断面，不掌握优化技术就难以消化；引进产品某些零件寿命可精确地给出多少小时多少分，如不掌握疲劳和可靠性设计方法就会是个谜，等等。

    反求工程包含的内容和知识面很广，不同专业产品又有不同领域。诸如原理、方案、功能、性能、参数、材质、结构、表面状况、精度和公差、工艺过程、油品、试验和检测、使用规范、维修、运输、可靠性、经济性、贮存等等都要寻究“为什么”的答案，要找出其先进科学的和落后不足的细节。引进产品不一定都先进，盲目吸收掩盖了落后，不适合国情是虚假的先进，最后都要吃大亏，都不是真正的反求的目标。反求过程中，如何用现代设计理论、方法和技术去寻求符合国情的适用技术，是提高国产化零件质量的核心问题。寻找适用技术就是再创造，一旦突破，成效显著，有时可使产品上水平、上档次。

    顺便指出，开展反求工程的研究和应用，有助于人才培养。人们需要通过学习、创造、发明去发现新事物，而反求本身既是学习又可尽快掌握高新技术，缩小差距。发达国家重视反求，正在发展中国家更要重视和掌握这种艺术和技术。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”，进而深化提高到“应该怎样做”。特别是中外合资和技术引进后的国产化，有大量反求工作。国产化就要创新，反求本质就是再创造，没有相应技术的人才就很难胜任。