三坐标测量与逆向工程研究

1、概述

    人类社会发展至今，已经历了几千年研究和探索，在各方面都积累丰厚的知识财富和科技成果，它是产品开发的基础，是人类的宝贵财富。但由于历史的局限，在没有计算机的时代，大多数遗产都是用模拟的方式记录的，在当今数字化时代，要快捷地利用这些知识和成果，实属不便。这就要求把大量的模拟信息转化为数字化的模型，以供以后产品开发所用。在机械产品方面，我们可以利用逆向工程的思想，用三坐标测量机来快速地完成转换。 

    翻开几千年人类探索和研究的历史，你会发现，每一项成果都是在前人研究的基础上，模仿自然界和人类社会在相关领域、具有相应特长、特性的事物、动物或人来实现的。看到天空中的飞鸟，我们仿制了飞机，但飞机比鸟飞得更高、更快、更远；看到海中游的鲸，人们仿制了潜艇，但潜艇比鲸潜得更深、体积更大、续潜能力更强；……这就是说人类一直在学习现有事物、研究现有事物、仿制现有事物，即人类一直在采用逆向工程的方式工作，不仅仿制原型，而且超越原型。 

    通过样件开发产品的过程人们称为逆向工程，和产品正向设计过程相反。逆向工程主要是研究他人或现存的系统或产品，发现其规律，以复制、改进并超越现有产品或系统的过程。逆向工程不仅仅是对现实世界的模仿，更是对现实世界的改造，是一种超越。它所涉及的关键技术主要包括：三维实体几何形状数据采集、规则或大量离散数据处理、三维实体模型重建、加工等。 

   

    2、三坐标测量机是逆向工程的数据采集器，是逆向工程的数据源 

    三坐标测量机是近几十年来，随着计算机、机床业的飞速发展而产生的一种高效高精度的测量仪器。它采用坐标测量的原理，在计算机软件的控制和驱动下，完成对工件几何尺寸和形位公差的三坐标数据采集。它有机地结合了数字控制技术，利用了计算机软件技术，采用了先进的位置传感技术和精密机构技术，并使之完美结合。它顺应了硬件软件化的技术发展方向，使诸如齿轮、凸轮、涡轮涡杆等以前需要专用检测设备才能完成工件，现在可用通用的三坐标测量机进行数据采集，结合相应测量、评价软件来实现专业的检测、评价功能。 

    通过了解三坐标测量机的原理，人们很容易知道其优越的特性：高效、高精度、高柔性而又具有相当的专用性。采用先进传感技术、数字控制技术、计算机软件控制和处理技术，使得三坐标测量机具有很高的数据采集和处理效率；它以精密的机械主体为基础，采用软件控制和补偿技术，再配以高精度的位置传感器，可实现很高的精度。它实现空间坐标点的测量，采用计算机软件来完成产品几何尺寸、形位公差的评价，不同类型的产品只要调整软件即可完成，这既使得三坐标测量机具有很高的柔性，又具有相应的专用性。 

    逆向工程要仿制样品，就要有相应的数据信息。数据采集是逆向工程的起点，是逆向工程的基本活动。 

    基于上述三坐标的特性，可以说三坐标测量机是逆向工程理想的数据采集器。 

    3、逆向工程中数据采集规划 

    采集规划目的是使采集的数据正确而又高效。正确是指所采集的数据足够反映样件的特性而不会产生误导误解；高效是指在能够正确表示产品特性的情况下，所采集的数据尽量少、所走过的路径尽量短、所化费的时间尽量少。 

    对产品数据采集，有一条基本的原则：沿着特征方向走，顺着法向方向采。就好比火车，沿着轨道走，顺着枕木采集数字信息。这是一般原则，实际应根据具体产品和逆向工程软件来定。下面分三个方面来介绍。 

      规则形状的数据采集规划： 

    对规则形状诸如点、直线、圆弧、平面、圆柱、圆锥、球等，也包括扩展规则形状如双曲线、螺旋线、齿轮、凸轮等，数据采集多用精度高的接触式探头，依据数学定义这些元素所需的点信息进行数据采集规划，这里不做过多说明。虽然我们把一些产品的形状归结为特征，但现实产品不可能是理论形状，加工、使用、环境的不同，也影响着产品的形状。作为逆向工程的测量规划，就不能仅停留在“特征”的抽取上，更应考虑产品的变化趋势，即分析形位公差。 

    下表是各规则元素数学描述所需的最小数据点数，要描述其公差与变化，实际需要测量更多的点。

    自由曲面的数据采集规划： 

    对非规则形状，统称自由曲面，多采用非接触式探头或二者相结合。原则上，要描述自由形状的产品，只要记录足够的数据点信息即可，但评判足够数据点是很难的。实际数据采集规划中，多依据工件的整体特征和流向，进行顺着特征走，法向特征扫的数据采集规划；对局部变化较大的地方，仍采用这一原则进行分块补充。 

    智能数据采集规划： 

    当前智能数据采集还处于刚开始阶段，但它是三坐标测量机所追求的目标，它包括样件自动定位、自动元素识别、自动采集规划和自动数据采集。 

    4、逆向工程是产品研发的有效工具 

    产品研发并非空中楼阁，需要在现有的产品和技术上进行研发，现有的产品并非都有数学模型和数据信息，人们往往需要用逆向工程的方式来进行数据采集和数学模型还原。 

    一般产品在刚开始工作时，并非处于最佳状态，要工作一段时间后，经过机构间的有效啮合，才能达到比较理想的工作状态，这时产品各部分的几何尺寸和形位公差才是我们设计所追求的。但这时的产品和设计的原样已有一定差别，需要用逆向工程的方式获取当前理想工作状态下的数据，以改进设计。 

    可见，逆向工程是产品研发的有效、适用的工具。

       5、逆向工程中产品重建规划 

    逆向工程的数据处理过程包括：分析现有产品或系统，对其原理进行抽取，结合新技术、改进并超越现有产品（第三步实际是正向工程）。 

    分析：分析现有产品或系统，找出其工作原理的关键数据。现阶段有手工分析、自动分析和智能分析三种分析方式。 

    抽取：按一定规则从数据中识别出产品原型中的各元素和各特性，抽取也是一个数据过滤和加密的过程。 

    产品重建：重建按重建的方式分线架重建、面片重建和整体重建。 

    线架重建是按人们从线到面的思维方式进行的，CAD/CAM发展早期重建软件基本都采用线架重建模式。当前流行的线架重构软件主要有UG、ProE、Catia、Surfacer、CopyCAD等，其中Surfacer和CopyCAD在线架抽取方面非常有特色。 

    面片重建是直接从样件数据中抽取面片，上述软件都能完成这样的任务，但效果并非理想，其主要原因是分块和拼接不是很方便和有效。ProE新出的ICEM软件在面片重建方面很有特色，它可辅助用户完成分块和自动拼接。 

    整体重建实际上是智能化的重建过程，既包括线架重建和面片重建，又包括产品的实体构造，主要由软件自动化地完成，其更注重产品整体。 

    逆向工程所产生的数字产品，是真实产品的数字化，同时可在模拟的环境中模拟的工作状态，排除和改进当前产品原型的不足，从而超越样品。 

    6、加工

    加工是将数字产品转化为真实产品的过程，加工的规划和数据采集有很多相似的地方，这里不过多说明。逆向工程的加工更注重加工工艺的自动化和加工的自动化完成。 

    7、总结

    仿制是产品发展的原动力，逆向工程是产品研发的有效途径。逆向工程把三坐标测量机、CAD/CAM/CAE软件、CNC机床有机而又高效地结合在一起，成为产品研发和生产的一个高效、便捷的途径。 

    逆向工程不仅仅是产品的仿制，它更肩负着数学模型的还原和再设计的优化等多项重任。 

    当前，虽然逆向工程发展已取得了长足进展，逆向工程的概念已深入人心，并被广泛应用于各个领域，不仅是机械产品的研发；先进企业都纷纷采用逆向工程模式进行产品研发和生产。但产品逆向工程还是一个不完全成熟的过程，各个环节仍有待于进一步完善、探索和研究，并没有非常完善的解决方案。 

    三坐标测量机作为逆向工程的数据源，其尺寸有待于朝着超大型和超微型两个方向发展；其测头有待于朝着高效、快捷、多用途方向发展；其软件要求功能强大且操作简便，算法可重用性强。逆向工程中的重构软件要求重构效率高、操作边界和重构效果好。 

    总之，三坐标测量机朝着智能化方向发展，逆向工程也朝着智能化方向发展。