逆向工程技术的应用与研究

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在机械设计制造领域中，有许多复杂零件需要进行逆向反求设计。如特殊设计制作的流线型曲面、以试验修正法设计的叶片、采用真实比例制作的泥塑模型等，这些零件大多数没有特定的设计公式、造型准则，通常由许多设计师、工艺师、美化师等联合手工试制的，对这些特殊设计的经典零件进行复制再现原设计就用到逆向工程技术。

在逆向工程中，对模型数据点的采集精度极为重要，业内常用到现代精密测量仪器：三坐标测量机(CMM o随着CMM的广泛应用，人们逐渐发现传统的以几何学为基础的测量技术与现代数字化测量技术的测量方法有很大差异，存在CMM测量的结果与按传统方法检测的结果不完全相同，传统标准已不再适应现代制造技术的需求l。新-代GPS标准体系是以计量数学为基础的新型国际标准，给三坐标测量机的应用提供了标准依据，为CMM在逆向工程中的应用提供了有利条件。

2逆向工程的概述逆向工程 Revere Engineering，RE)，也称为反求工程或反向工程，起源于精密测量技术，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路，成为实现新产品快速开发的重要技术手段闭。随着CAD/CAM/CAT技术的快速发展，为逆向工程的应用提供了有利条件。传统的产品设计通常是从概念设计到图样绘制，再制造出产品，称之为顺向工程；逆向工程即是对零件或原模型提取数据生成图样，再制造产品，如图 1所示 。

顺向工程l图纸ItCAD建模H CAM/RP H 产品 l逆向工程图1顺向工程与逆向工程Fig.1 Sequential engineering and I veI Be engineering3三坐标测量机三坐标测量机(Cordinate Measuring Machines，简称CMM)是近40年发展起来的-种高效率的新型三维精密测量仪器。如今越来越多的复杂零件需要进行精密测量，而传统的测量方法无法达到要求的精度，三坐标测量机的出现是标志计量仪器从古典的手动方式向现代化自动测试技术过渡的-个里程碑脚。如图 2所示。

来稿日期：2012-03-17基金项目：国家自然科学基金资助项目(50865003)；广西制造系统与先进制造技术重点实验室主任课题(桂科能 l1o31-12 004)作者简介：宫文峰，(1987-)，男，山东泰安人，硕士研究生，研究方向：机械振动与CAE技术；黄美发，(1962-)，男，广西蒙山人，博士，教授，博士研究生导师，主要研究方向：机电系统精度设计和智能测量方法第 1期 宫文峰等：逆向工程技术的应用与研究 111图 2三坐标测量机应用示例Fig.2 Example of CMM application然而，随着 CMM的广泛应用，人们逐渐发现传统的测量技术与现代数字化测量技术在方法上存在很大差异，传统的几何精度测量方法与标准不能有机的结合起来，造成了标准规范与实际方法之间有较大的分歧，使测试人员对标准的应用束手无策，只能凭经验测量 。原因在于第-代GPS标准中没有为CMM提供检测方法，特别是传统公差标准所描述的公差，往往与通过CMM测得的数据进行评估得到的结果经常与现存标准中所定义的公差不-致，引起了计量危机”。新-代GPS标准体系的提出为三坐标测量机的应用提供了标准依据。

4新-代GPS标准体系在产品制造领域，最主要的工具就是产品几何量技术规范标准体系，它是针对所有几何产品，建立覆盖了从宏观到微观的所有产品几何特征，涉及产品从研发、设计、制造、验收、使用以及维修、报废等产品的整个生命周期的全过程四。

4.1现行标准体系的不足目前所应用的标准体系是以几何学为基础的标准，这套体系存在着内容重复、空缺和不足，部分还产生了术语定义、基本规定及综合要求上的差异和矛盾。据估计约有50%的标准不适用于或与其他技术委员会所制定的标准相矛盾 。总结起来有以下几个方面的不足：(1)现行标准偏重于设计，注重形体的纯几何要求，而较少的考虑零件的加工和测量过程，使设计要求难以实现。

(2)原公差标准之间缺乏联系，各标准的相互关系与所处位置不清楚，没有形成完整的标准体系。

(3)公差与产品功能联系不紧密，设计者凭经验设计，检验者用现有仪器测量，评定方法各异。

(4)原公差标准缺乏制造与检测的相关信息，没有为新的测量仪器定义检测标准，已成为制约CAD/CAM/CAQ/CMM集成技术发展的瓶颈。

4.2新-代 GPS的提出为解决现行标准产生的问题，丹麦某博士在做了大量科学研究后认为，只有将产品的兀何规范与检验认证集成为-体才能从根本上解决规范和认证之间的矛盾 在他的建议下ISO成立了联合协调工作组 ，并于 1995年提出geometrical product specificationsand verification(GPS，产品几何技术规范与认证 )。1996年 ISO技术管理局进行改组合并，成产了ISO/TC213技术委员会，进行对新-代GPS标准体系进行构建。

4.3新-代 GPS的体系结构根据ISO/DTR14638：1999的 GPS总体规划”，新-代GPS标准体系结构嗍可以用矩阵模型表示。在矩阵中，GPS标准被划分为综合 GPS标准、基础 GPS标准、通用 GPS标准和补充GPS标准四个类型，如图 3所示。

l 综合GPS标准(gl0b GPs standa ) l 涉及和影响几个或全部通用和补充-GPs标准.主要包括通用原则和定义标准 l膏 j憎 图3新-代GPS标准体系结构矩阵模型Fig.3 Matrix model of new-generation GPS新-代GPS的理论体系内容庞大，国内著名学者蒋向前暾 授编写了关于新-代GPS标准理论与应用的著作，详细介绍了新-代GPS的体系结构、理论体系、不确定度、表面滤波技术、智能知识库系统等方面做了充分的介绍。

4.4对新-代 GPS标准体系的看法在当今，谁掌握标准谁就拥有发展的牵制权。就新-代GPs体系，若将其功能、规范、加工、认证-体化有效地应用于生产实际还存在很多问题，比如说对于企业。虽然说新-代GPS的应用在前景上很好，但是由于标准方面见效慢，且费时费力费财。同行中，我应用了，其他不应用怎么办，就无法实现互换性的目的。

在此问题上，作者认为可先在大型、龙头、有代表企业试点应用，并制定对策预案，若行之有效，再向其他企业推行。还可以让有代表的企业参与标准制定。这样既可以让他们走在标准的前端，同时也为国家节省了部分人力、物力，促进GPS的应用速效。

标准是产品的根脉和依据，除非有硬性规定，否则是-个很漫长的过程。新-代GPS的实施方案可采壬新标准混合使用，逐步过渡的方法。互换性是在标准的前提下实现的，这也给新-代GPS的应用带来阻力。企业标准根据行业标准制定，行业标准根据国家标准制定，国家标准又是根据ISO国际标准制定。因此，新- 代GPS标准将会带来巨大的变革。

5逆向工程现代设计体系模型结合逆向工程的实现要求和新-代GPS的应用，提出了逆向工程现代设计体系模型的基本框架。在本模型中，拟采用三坐标测量机为操作基体对零件或模型操作并提取数据，采用新-代GPS标准体系指导三坐标测量机操作，并将测量数据经计算机处理、编程后传人加工中心或数控机床进行零件制造，最后还要将加工好的零件用三坐标测量机进行测量，并将结果与原零件或模-I