什么是反求工程
反求工程(Reverse Engineering)这一术语起因为60年代,但对它从工程的普遍性去研究,从反求的科学性执行深化依旧从90年代初刚刚开始.反求工程相似于反向推理,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,运用各种专业人士的工程设计经验,知识和创新思维,对已有的产品执行解剖,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,报告处理技术,图形处理技术和加工技术相结合的一门结合性技术.伴随计算机技术的飞速发展和上述单元技术是渐渐成熟,近年来在新产品设计开发中愈来愈多的被得到应用,由于在产品开发过程中需要以实物(样件)作为设计根据参考模型或作为最终验证根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急切.
所谓反求工程是将报告采集设备获取的实物样件表面或表面及内腔报告,输入专门的报告处理软件或带有报告处理能力的三维CAD软件执行处理和三维重构,在计算机上复现实物样件的几何形状,并在此基础上执行原样复制,修改或重设计,该方法首要用于对很难精确表达的曲面形状或未知设计方法的构件形状执行三维重构和再设计.
反求工程的研究内容
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,首要可以分为下方三大类:
①实物类:首要是指先进产品设备的实物自身;
②软件类:包含先进产品设备的图样,程序,技术文件等;
③影像类;包含先进产品设备的图片,相片或以影像形式显现的资料.
反求工程包含对产品的研究与发展,生产制造过程,管理和市场构成的完整系统的分析和研究.首要包含下方几个方面:
探索原产品设计的指导思想 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,尽或许减弱成本,所以结构上一般是较简化的.
探索原产品原理方案的设计各种产品均为按定的运用要求设计的,而满足同样要求的产品,或许有多种不同的形式,所以产品的功能目标是产品设计的核心困难.产品的功能概括而论是能量, 物料信号的转换.比如,一般活力机构的功能一般是能量转换,工作机一般是物料转换,仪器仪表一般是信号转换.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,则或许设计出斜楔夹紧,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,可以解析功能目标的确定原则,这对产品的改进设计有极大帮助.
研究产品的结构设计 产品中零部件的具体结构是达到产品功能目标是保证,对产品的性能,工作能力,经济性,寿命和牢靠性有着紧密关系.
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.为更好地执行形体尺寸的分析与测绘,应归纳箱体类,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,而不能得到几何精度的分配.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首要技术参数之一.科学合理地执行精度分配,对提升产品的装配精度和力学性能举足轻重.
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,热处理等情形执行全面鉴定,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首要性能执行试验测定,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.
确定产品的造型 对产品的外形构型,色彩设计等执行分析,从美学原则,顾客需求心里,商品价值等角度执行构型设计和色彩设计.
确定产品的维护与管理 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,有利于维修及设计的改进和创新.
反求工程（逆向工程）的作用及应用领域
反求工程（逆向工程）是近年来发展起来的消化，吸收和提升先进技术的一连串分析方法和应用技术的组合，其首要目的是为了改观技术水平，提升生产率，加强经济竞争力。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，给民众有益的启示。据统计，各国百分之七十以上的技术因为国外，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，极大提升了生产率。所以研究反求工程技术，对我国国民经济的成长和科学技术水平的提升，具有巨大的意义。
反求工程（逆向工程）的应用领域大差不差可分为下方几种情形：
在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情形下，在对零件原形执行测量的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为根据利用迅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试探才可定型的工件模型时，一般采取反求工程的方法。比如航天航空领域，为了满足产品对空气活力学等要求，首先要求在初始设计模型的基础上经历各种性能试探（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，最终的实验模型将形成设计这类零件及反求其模具的根据。
在美学设计特别重要的领域，比如汽车外型设计普遍采取真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，而不采取在计算机屏幕上缩减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提供的损坏零件等，此时不需要对整个零件原型执行复制，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。
反求工程的核心技术
反求工程（逆向工程）具有与传统设计制造过程截然不同的设计流程。在反求工程中，依照现有的零件原形执行设计生产，零件所具有几何特质与技术要求都包含在原形中；在传统的设计制造中，依照零件最终所要承受的功能以及各方面的影响要素，执行从无到有的设计。另外，从概念设计出发到最终形成CAD模型的传统设计是一个确定的明晰过程，而通过对现有零件原形数字化后在形成CAD模型的反求工程是一个推理，接近的过程。
1) 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
一般采取三坐标测量机(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。
第二部: 从测量报告中提取零件原形的几何特质
按测量报告的几何属性对其执行分割，采取几何特质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质。
第三部: 零件原形CAD模型的重建
将分割后的三维报告在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。
第四部: 重建CAD模型的检验与修正
采取依据得到的CAD模型从新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型能否满足精度或其余试验性能指标的要，对不满足要求者重复以上过程，直至高达零件的逆向工程设计要求。
2) 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。
(1) 接触式测量方法
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执行逆向工程测量。坐标测量机一般采取触发式接触测量头，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名移传感的扫描测量头，该测头可以在工件上滑动测量，接连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。该种测头价格昂贵，当前仍未在坐标测量机上普遍采取。坐标测量机首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，而且对一部分软质表面无法执行逆向工程测量。
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，采取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报告，并将其组合起来得到零件的三维报告。层析法的优点在于任意形状，任意结构零件的内外轮廓执行测量，但测量方式是损坏性的。
(2) 非接触式逆向工程测量方法
非接触式测量依据测量原理的不同，大差不差有光学测量、超声波测量、电磁测量等方式。下方仅将于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）作一简要表明。
基于光学三角型原理的逆向工程扫描法
该种测量方法依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，并采取光电敏感元件在另一名置接收激光的反射能量，依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
该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改变，数字图像处理的方法解析出光栅条纹图像的相位改变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
该种测量方法对被测物体执行断层截面扫描,以X射线的减弱系数为根据，经处理重建断层截面图像，依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执行无损测量。该方法造价高，测量系统的空间分辨率低，获取报告时间长，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
立体视觉测量是依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在两个（多个）摄象机共同视野内的目标特质点执行测量，而无须伺服机构等扫描装置。立体视觉测量面对的最大问题是空间特质点在多幅数字图象中提取与匹配的精度与精准性等困难。近来显现了以将具有空间编码的特质的结构光投射到被测物体表面制造测量特质的方法有效处理了测量特质提取和匹配的困难，但在测量精度与测量点的数量上依然需要改进。
反求工程案例分析 ">编辑] 案例一:反求工程在机车技术引进中的应用
反求工程也称为逆向工程、反向工程，是对已有的零件或实物原型，利用3D数字化设备精准、迅速的测量出实物表面的三维坐标点，并依据这些坐标点通过三维几何建模方法重建实物CAD模型的过程。实物原型经反求工程技术建立CAD模型之后，可更深一步利用CAD／CAE／CAM以及CIMS等先进技术执行处理，复制出实物的样品模型。下图所示为反求工程技术的具体工作流程。
反求工程技术的具体工作流程
一、叶轮原型数字化
叶轮原型数字化即对叶轮表面报告执行测量。当前无损测量首要有两大类测量方法：接触式测量和非接触式测量。非接触测量适合测量薄、软工件等，测量速度快，但测量精度较低，不适合测量高精度的工件。接触式测量常用的是三坐标测量机(CMM)，测量速度较慢，但测量精度高。
依据压气机叶轮高光顺性、高精度的要求，本文采取接触式测量方法，采取德国WENZEL μ StarLH675三坐标测量仪执行报告采集。
1.报告采集方法
对压气机叶轮，其基体弧形线(外缘弧线、轮毂线)、叶片曲面报告及轮径即可决定其整体外项目来源：柴油机高增压技术国家着重实验室基金资助项目形轮廓，如图所示：
反求叶轮示意图
为了减小大批报告采集对仪器的磨损，降低测量点，由需要获取的报告及叶轮叶型曲面的外形特点决定，只测量叶轮的一对大小叶片及基体弧形线，分别对叶片的凹凸面、外缘弧线、轮毂线部分采取点位测量法；在叶片的进出口圆角处，受于曲面弯曲程度较大，曲率改变比较强烈，点位测量法测量时，容易造成打滑，测量得到的点云报告与真实值相差较大，故采取模拟式探头对圆角处执行扫描测量，高密度的采点保证了不错的形状再现性。
在叶片测量过程中，将叶轮水平放置的工作台面设定为XY面，其垂直方向为Z向，如上图中所示。等Z扫描得到叶片凹凸面的报告，等X(Y)扫描得到叶片进出口圆角的报告，最终得到上图所示的点云报告。
2.测量结果
各部分的测量结果分别如图所示，测量均在与一个坐标系下执行。
大叶片点云
小叶片点云
二、叶轮曲面拟合
当前，在逆向工程中首要的曲面构造方案有两种：其一是以B样条或非均匀有理B样条曲面为基础的四边曲面构造方案；其二是以三角Bezier曲面为基础的三角曲面构造方案¨J。本文依据采集点云的曲率改变趋势，采取第一种方案执行曲面构建，在ImagewareeO读入测量得到的叶轮表面点云报告，按点一曲线一曲面的报告处理流程，对测量得到的点云报告执行预处理、曲线按按拟合、曲面重构。
1.测量报告预处理
首要执行异常点的移除和点云的平滑处理：通过观察直接将与报告点集偏离较大的异常点或孤点刨去。
在进出口圆角处采取扫描测量法，受于探头与叶轮表面间存在摩擦，测得的点云报告杂点较多，需对其执行平滑处理。
处理后的点云如图所示。
1.曲线拟合
通过拟合得到的曲线类型，首要有插值曲线、基于公差的曲线和均匀曲线。插值曲线非常精确；但得到的曲线控制点数目较多，产生曲线的抖动现象；均匀曲线控制点在空间上均匀分布，可以调节控制点数量使曲线高达最佳光顺程度，但其拟合精度不高；基于公差的曲线是用户指定一个公差规模，设定曲线控制点的数目来控制曲线的误差，允许在偏差规模内控制曲线光顺，因此其精确度和光顺性都可兼顾。依据叶轮叶型曲面高精度、高光顺性要求，采取基于公差的方法来拟合曲线：。
(1)依据点云的改变趋势，分割出四条行情比较平滑的截面点云；
(2)设定曲线拟合公差为0.1mm，软件依据公差规模和曲线形体尺寸来自动设置曲线控制点的数目，拟合得到四条截面曲线；
(3)将四条截面曲线相交、合并、修剪且相交处维持位置接连，最终得到四条接连的曲面边界线。
3.曲面重构
Imageware中供应的曲面创建方法很多，可以用曲线通过蒙皮、扫掠、4条边界线、4边及点云、曲线网格混成等方法生成曲面。本文首要是通过4条边界线、4边及点云两种方法来生成曲面。首先构建出叶轮一对大小叶片的凹凸面、进出口圆角处的曲面，然后将各个曲面片延伸、裁剪、连接，最终得出叶型曲面模型，如图所示:
4.曲面光顺及精度检测
重构曲面的光顺性非常重要，可以采取反射线检测方法来检测，它首要是依据光源打在曲面法向量上的反射比来造成等高线图，根据流线的平顺程度来分析曲面品质，假使曲面上有细微的缺陷，流线就会通过不规则扭曲表现出来。下图为曲面光顺性检测的结果，流线顺畅，曲面的光顺性程度较高。但叶片凹凸面与进出口圆角曲面拼接处，受于仅能维持相切接连，其曲面光顺程度相对较差。
受于测量过程中系统误差、探头标定、探头打滑引起的测量误差等原因的影响，除考虑曲面的光顺性外，仍需考虑重构曲面与测量点云之间的误差，下图重构得到的叶型曲面与点云之间的误差，其误差规模维持在
O.2mm之内，平均误差在0.04一0.05mm之间，基本满足精度要求。
三.叶轮实体模型创建
叶轮基体弧形线点云，采取同样的方法可以拟合得到轮毂面、外形轮廓面的截面线，通过扫掠可得到创建叶轮的轮毂面、外形轮廓等曲面。
然后将所有曲面，执行裁剪、阵列、缝合等操作，得到下图的叶轮实体模型。为了验证有限元结构力度分析结果能否合理，按设计模型加工了两种压气机叶轮执行对比试验，在相同试验条件下在涡轮增压器专用试验台架上分别执行了三次超速破裂试验。采取加热外气源来动员涡轮增压器高速运作，为了能在较短时期内使涡轮增压器增速到破裂转速，一般用封盖将压气机进气口封堵，降低压气机叶轮的功率消耗。
试验结果为轮背为平面的压气机叶轮在转速为204535rpm时破裂，而带有凸台的压气机叶轮在转速为215180rpm时破裂。表为两种叶轮损坏转速的计算值与试验值的对比。
两种叶轮损坏转速的计算值与试验值的对比
从表中两种叶轮损坏转速的计算值与试验值的对比可看出，叶轮破裂转速的计算值与试验值的相对误差不胜过5％，显示利用有限元分析方法能有效预期离心压气机叶轮的损坏转速可较为精准地预期增压器叶轮的破裂转速。造成误差的首要原因首要是试验中转速测量的落后所引起。
由于压气机的增压能力与叶轮出口轮缘速度的平方成正比，最大工作转速的增长提升压气机的增压能力。本例中采取轮背带有凸台的压气机叶轮后，理论上可以使增压能力提升约10％。
(1)通过有限元结构分析和试验研究证明，有限元计算结果与试验值对比误差差于5％，二者有较好的统一性；
(2)利用有限元分析方法能有效预期离心压气机叶轮的损坏转速；
(3)两种结构的压气机叶轮均满足叶轮结构的力度要求，但叶轮轮背为凸台的叶轮结构更有助于提升压气机叶轮的结构牢靠性。
(4)经历对平面轮背压气机叶轮执行结构优化设计，可以使增压能力提升约10％。
参考文献
↑ 建明.反求工程在机车技术引进中的应用.内燃机车,2006,(5)
↑ 吴荣仁.增压器叶轮超速自加强技术.化工机械.2000,27(3):149-151
