（机械制造及其自动化专业论文）反求工程技术在汽车转向助力泵定子建模中的应用.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 反求工程技术在汽车转向助力泵定子建模中的应用 机械制造及其自动化 张瑞 李建华 摘要 ( 签名) ( 签名) 汽车转向助力泵是汽车动力转向系统的动力源，其中定子曲线又是关乎转向泵振动 和噪声的关键因素。虽然经过了多年的研究，在某些方面取得了突破性进展，但对定子 曲线在噪声控制的研究上与国外先进技术仍有较大差距。本文便是以陕西秦川机械发展 股份有限公司生产的汽车转向助力泵为研究对象，结合反求工程技术，研究了转向泵定 子的c a d 模型重构的方法，并对重构模型进行了精度分析，为我国机械产品的创新设 计提供了一个很好的参考模式。 本文首先对反求工程技术作了总结性介绍，其中包括反求工程的概念、背景、意义、 国内外的研究进展、优秀的反求造型软件等。在此基础上，着重分析研究了反求造型的 关键技术，包括点云数据获取、数据预处理、曲面重构和曲面品质精度分析方法等，为 后续的转向泵定子的c a d 模型重建提供了理论和技术保障。 对汽车转向助力泵定子的研究主要是针对定子的过渡曲线，其中分析并比较了等加 速等减速曲线和高次曲线在控制噪声方面表现的优劣，重点分析了5 次曲线的优异表现， 为后续定子c a d 模型重构时曲线拟合类型的选择奠定了基础。 文中通过t d v - 5 0 0 三维激光扫描仪对转向泵定子进行三维点云数据的采集，利用 优秀的反求造型软件i m a g e w a r e 对点云数据进去噪、平滑、精简、分割、曲面拟合等具 体操作，较好的完成了对转向泵定子的c a d 模型重构，并对重构模型进行了精度分析。 再者，探讨了反求工程所得的c a d 模型在建立之后的主要用途，并研究了反求工程在 引入到产品改进设计之后所带来的积极影响。在文章的结束，作者给出了本课题的研究 结论与展望。 关键词：反求工程；定子曲线；噪声；模型重建 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h ea p p l i c a t i o no fr e v e r s ee n g i n e e r i n gi nt h em o d e l i n go f a u t o m o b i l ep o w e rs t e e r i n gp u m ps t a t o r s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a l m a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i z a t i o n n a m e ：z h a n gr u i i n s t r u c t o r ：l ij i a n h u a ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t a u t o m o b i l ep o w e rs t e e r i n gp u m p ( a p s p ) i st h eh e a r to ft h ea u t o m o b i l ep o w e rs t e e r i n g s y s t e m t h es t a t o rc u r v ei st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rw h i c hi m p a c to n t h ev i b r a t i o na n dn o i s e o ft h es t e e r i n gp u m p a l t h o u g hw eh a v eb e e ns t u d y i n gu po ni tf o rm a n yy e a r s ，a n db r e a k i n g t h r o u g hi nm a n yf i e l d s t h e r ei sag r e a td i s p a r i t yi n t h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo ft h ec o n t r o l l i n g o fn o i s eb e t w e e nt h eh o m ea n da b r o a d i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ru s e st h et e c h n o l o g yo f r e v e r s e e n g i n e e r i n gt or e c o n s t r u c tt h es t a t o rc a d m o d e lb ys t u d y i n gt h ea p s pw h i c hp r o d u c e db y t h es h a a n x iq i n c h u a nm a c h i n e r yd e v e l o p m e n tc o ，l t d a tt h es a m et i m et h ep r e c i s i o n o f t h er e v e r s er e s u l ti sa n a l y z e di nd e t a i l t h i sp a p e rp r o v i d e san e wm e t h o dt oi n n o v a t ea n d r e d e s i g nt h em a c h i n e r yp r o d u c t i o n f o ro u rc o u n t r y a tf i r s tt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e v e r s ee n g i n e e r i n gs u m m a r i l y ，i n c l u d i n gi t sc o n c e p t i o n ， b a c k g r o u n d ，m e a n i n g ，d e v e l o p m e n t ，e x c e l l e n tr es o f t w a r e a n ds oo n t h e nt h ea u t h o r a n a l y z e st h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h er e v e r s ee n g i n e e r i n g ，s u c h a sd a t aa c q u i r e m e n t ，d a t a p r e t r e a t m e n t 3 ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o na n dp r e c i s i o na n a l y s i s a l lo ft h e s ep r o v i d ea t h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o r t h er e c o n s t r u c t i o no f t h es t a t o rc a dm o d e l i nt h en e x tp a r t t h ea u t h o rs t u d i e so nt h es t a t o rt r a n s i t i o nc u r v eo f t h ea u t o m o b i l ep o w e r s t e e r i n gp u m p ，a n a l y z e st h ec o n s t a n ta c c e l e r a t i o na n d d e c e l e r a t i o nc u r v ea n dt h eh i g h e ro r d e r c u r v e a l l di n t r o d u c e st h e5o r d e rc u r v ei nd e t a i l b yt h i sw a y , i tp r o v i d e sa t h e o r e t i c a ls u p p o r t f o rt h ed a t af i t t i n g i nt h i sr e s e a r c h t h ep o i n tc l o u do ft h es a m p l eo ft h ea p s pw a so b t a i n e db yt h e3 dl a s e r s c a n n e r t h ep o i n tc l o u d sa r ep r e t r e a t e db yi m a g e w a r ea n dt h e3 dg e o m e t r i c a lm o d e l i n gi s r e b u i l tb yi m a g e w a r et o o t h ep r e c i s i o na n a l y s i ss h o w st h a tt h ee r r o rw a ss m a l le n o u g ht o m e e tt h er e q u e s ti ne n g i n e e r i n g i tr e a l i z e dt h ee x p e c t e dg o a lb a s i c a l l yi nt h es y s t e m a n d ， h o wt ou s er e v e r s ee n g i n e e r i n gi ni m p r o v i n gd e s i g na sc r e a t i v et o o li ss t u d i e d a tt h ee n d o f t h ep a p e r , t h er e s e a r c hc o n c l u s i o na n dp r o s p e c ta r eg i v e nb yt h ea u t h o ri nt h es u b j e c t k e y w o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g s t a t o rc u r v en o i s e e n t i t ym o d e l i n g t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西姿料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：马匿弋炜日期：3 一占s y l 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 年r 月l a 日 1 绪论 1 1 课题的背景 1 绪论 当前，世界政治、经济和技术发生了前所未有的巨大变化，经济全球化和信息化使 制造业在竞争环境、发展模式和活动空间等方面发生了深刻变化，这些变化对我国制造 业提出了严峻的挑战，同时也为实现我国制造业的跨越式发展提供了更为便利的条件。 随着科学技术的高度发展，科技成果的应用己经成为推动生产力和社会进步的重要手 段。如何更快、更好地发展科技和经济，世界各国都在研究对策，充分利用别国的科技 成就加以消化吸收与创新，进而发展自己的技术已成为普遍的手段。事实证明，技术引 进是吸收国外先进技术，促进民族经济高速增长的战略措施。据有关统计资料表明，各 国百分之七十以上的技术都是来自外国，要掌握这些技术，j 下常的途径都是通过反求工 程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 。实际上，任何产品问世，不管是创新、改进还是仿制， 都蕴含着对已有科学、技术的继承、应用和借鉴。因此研究反求工程技术，对国民经济 的发展和科学技术水平的提高都具有重大的意义【l 】。 反求工程，也称为逆向工程，它的思想最初是来自从油泥模型到产品实物的设计过 程。它指的是针对已有产品原型，消化吸收和挖掘蕴含其中的涉及产品设计、制造和管 理等各个方面的一系列分析方法、手段和技术的综合。它以产品原型、实物、软件( 图 样、程序、技术文件等) 或影像( 图片、照片等) 作为研究对象，应用系统工程学、产 品设计方法学和计算机辅助技术的理论和方法，探索并掌握产品全生命周期设计、制造 和管理的关键技术，进而开发出同类的或更先进的产品。 从广义讲，反求工程可分以下三类p j ： ( 1 ) 实物反求。它是在已有产品实物的条件下，通过测绘和分析，从而再创造； 其中包括功能反求、性能反求、方案、结构、材质等多方面的反求。实物反求的对象可 以是整机、零部件和组件。 ( 2 ) 软件反求。产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和 标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件反求有三类：既有实物，又有 全套技术软件；只有实物而无技术软件；没有实物，仅有全套或部分技术软件。 ( 3 ) 影像反求。设计者既无产品实物，也无技术软件，仅有产品的图片、广告介 绍或参观后的印象等，设计者要通过这些影像资料去构思、设计产品，这种反求称为影 像反求。 中国是一个制造业大国，能够制造出很多高质量的机电产品，但在这些产品中鲜有 自己的技术，也没有自己的知识产权。实事求是地说，我们在相当长的时期内还不具备 西安科技大学硕士学位论丈 创新能力，在这个阶段更多的是学习和模仿，积累自己的经验，为今后的创新打下坚实 的基础。由此可见，反求工程是一项真j 下的研究过程，只有通过反求工程才能真j 下的消 化、掌握先进技术，这是实现企业技术更新、产品开发的有效途径，也是推动我国制造 业不断发展的最有效途径【4 j 。 作为c a d 技术的一个重要组成部分，反求工程的内涵超出了仿制的发展阶段，意 在创新，而创新需要反求构建的模型是可修改和可编辑的【5 】。目前最受关注的就是曲线、 曲面的重构技术。本课题就是在此基础上以汽车转向助力泵为研究对象，结合反求工程 技术，研究转向泵定子的c a d 模型重构的方法，以期提高我国汽车制造业的产品创新 能力。 1 2 本课题研究领域研究动态及发展趋势 1 2 1 国外的研究动态 作为一种新产品开发的重要手段，反求工程技术的研究正在受到广泛的重视，研究 的领域除包括传统的机械行业外，还包括医学，考古和地理等领域的图像处理和模型恢 复。反求工程技术是2 0 世纪8 0 年代分别由美国3 m 公司、日本名古屋工业研究所以及美 国u v p 公司提出并研制开发成功的【6 。从已发表的文献和会议记录来看，国内外已形成 了一批长期从事反求工程研究的单位和个人，反求工程己经发展成为c a d c a m 系统中 一个相对独立的研究分支，其相关的领域包括几何测量、图像处理、计算机视觉、几何 造型等i 7 j 。目前，世界各国对反求工程技术都给予高度重视，在国外，如美国、日本、 英国等发达国家对反求工程技术方面的研究一直走在世界的前列，每年都有大量的研究 成果问世，他们对反求工程技术的研究有许多值得我们借鉴的地方。 伴随着反求工程及其相关技术基础理论研究的进行，其成果的商业应用开始受到重 视。能够用来处理三维点云数据并生成c a d 模型的商业系统软件可以分为两大类：一类 是集成为大型通用c a d 系统中的专用模块，女n p r o e n g i n e e r 0 0 的p r o s c a n t o o l s 模块、 u g l 8 0 中的p o i m c l o u d 模块以及c i m a t r o n 中的r e v e r s ee n g i n e e r i n g 模块等，其优点是曲面 和实体的交互建模容易实现，在数据交换方面也容易得到支持，但是随着三维光学测量 系统的应用，这类模块对处理海量的点云数据方面显得力不从心。另一类是专用的独立 系统软件，现对其中部分典型软件的特点做简单的介绍。 美匡l r a i n d r o pg e o m a g i e 公司的反求工程软件g e o m a g i cs t u d i o ，是目前市场上对点云 处理及三维曲面构建功能最强大的软件，具有丰富的数据处理手段，可以根据测量数据 快速构造出多张连续的曲面模型，从点云处理到三维曲面重建的时问通常只有同类软件 的三分之一。软件的应用领域包括了从工业设计到医疗仿真等诸多方面，用户包括通用 汽车、b m w 等大制造商。 2 1 绪论 美国u g s 公司提供的反求工程软件i l i l a g e w a r e 【3 j ，具有强大的数据处理、曲面造型、 误差检测功能，可以处理几万至几百万的点云数据，根据这些点云数据构造的a 级曲面 具有良好的品质和曲面连续性。另外i m a g e w a r e 在计算机辅助曲面检查、曲面造型及快 速样件等方面具有其它软件无可匹敌的强大功能，使它成为反求工程软件领域的领导 者。i m a g e w a r e 采用的是n u r b s 曲面模型，与u g 、p m e 、c a t i a 等通用c a d c a m 软件 采用的曲面描述方法相同，相互间可方便的沟通。由于其卓越的性能，本文便是基于该 软件进行的研究。 韩国i n u s 公司开发的反求工程软件r a p i d f o r m ，主要用于处理测量、扫描数据的曲 面建模以及基于c t 数据的医疗图像建模，还可以完成艺术品的测量建模以及高级图形生 成。r a p i d f o r m 提供的一整套模型分割、曲面生成、曲面检测工具，用户可以方便地利 用以前构造的曲线网格经过缩放处理后应用到新的模型重构过程中。同时，r a p i d f o r m 还支持彩色3 d 扫描仪，可以生成最佳化的多边形，并将颜色信息映像在多边形模型中。 在曲面设计过程中，颜色信息将完整保存，也可以运用r p 成型机制作出有颜色信息的模 型。r a p i d f o m 也提供上色功能，通过实时上色编辑工具，使用者可以直接对模型编辑 自己喜欢的颜色。 c a t i a 是法国达索系统公司的c a d c a e c a m 一体化软件，在世界c a d c a e c a m 领域中处于领导者地位。它的数字化外形编辑器用于解决数字化数据导入、坏点剔除、 匀化、横截面、特征线、外形和带实时诊断的质量检查等问题。该模块用于反求工程周 期的开始阶段。快速曲面重建( q u i c ks u r f a c er e c o n s t r u c t i c n ) 模块可以根据数字化数据， 方便快速地重建曲面。它有用于分析曲率和等斜率特性的工具，使用户可以方便地在有 关的曲面区域中创建多边形线段 9 1 。 另外还有英国d e l c a m 公司的c o p y c a d 在国内也拥有相当的用户群。数字化制造 针对三维散乱数据测量点的表面重建，国外在此领域的研究十分热烈，并己取得一系列 的成果【l 们。简单的用户界面允许用户在尽可能短的时间内进行生产，并且能够快速掌握 其功能，既使对于初次使用者也能做到这点。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，反求工程技术被放到大幅度缩短新产品开发周期和增强 企业竞争能力的主要位置上。1 9 9 8 年，全球反求工程技术系统加工中心达到3 3 1 个，拥 有快速成型机6 6 0 台套，同时有2 7 个快速成型设备制造公司，1 2 个大的材料供应商， 1 5 个专业软件公司，再加上从事该项目的5 1 个教育和研究机构以及2 2 7 个提供赞助的 基金会以及大量的激光设备应用者和真空铸造机制造者，形成了一个强大的集成体。在 经过了初期5 0 的高速增长后，世界快速制造业正步入稳定增长期，年增长率保持在 1 7 左右。在越来越激烈的市场竞争中，反求工程技术在先进工业国家中被有远见的企 业采用，特别是在家电、汽车、玩具、轻工、建筑、医疗、航空、航天、兵器等行业得 到推广，并取得重大的经济效益。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 2 2 国内的研究动态 国内在反求工程技术领域的表面重建方面做了大量的探索研究工作，并取得一批十 分可喜的成果。但同国外相比，国内研究起步较晚、经费投入较少，限制了高水平研究 的开展，创新性的研究不多，在世界学术领域还没有形成较大的影响力。较早从事反求 工程研究的单位多为高等院校，如浙江大学、清华大学、华中科技大学、西安交通大学、 西北工业大学等，取得了非常可喜的成果，并逐步推向市场l l 。 浙江大学开展了对于反求工程中曲面造型技术的研究，并推出了r e s o f t 反求工程系 统软件。在r e s o f t 系统软件中，首先对数字化点建立三角形网格模型，利用这一模型对 曲面的特征进行辨识，然后利用辨识的结果和用户给定的误差对三角形网格进行必要的 简化和调整，使得网格表示的曲面模型与实物一致，最后在三角网格的网孔内构造三角 b e z i e r 曲面的曲面片，各个相邻曲面片间实现g 1 连续l l 2 。 华中科技大学开发了三维激光彩色扫描系统3 d l c s 9 5 ，1 9 9 5 年获得国家专利。 清华大学激光快速成型中心进行了照片反求、c t 反求研究。照片反求是通过提取实 物照片的几何信息，重构实际物体的s t l 模型。有了s t l 模型，就可以用r p m 系统制造 出该物体的原型。c t 反求是指利用人体器官或工业零件的c t 切片扫描文件，通过图像 处理，提取物体的平面轮廓线，并通过层片间的插值，得到可以被c a m 系统接受的层片 文件格式。 西安交通大学c a d c a m 研究所开发的j d r e 系统是基于实体的三维重建方法处理断 层数据的三维模型反求工程系统软件1 1 3 1 。该系统包含有3 个功能模块：层析数据处理、 特征识别、三维实体重构。数据是通过层去测量得到的，避开由于c t 、m 砌等设备造价 昂贵，且测量精度不高之不足。层析数据处理就是通过图像处理技术提取边界轮廓以得 到断面轮廓数据环。因本系统是采用特征模型来构造c a d 模型，所以特征识别是j d i k 的核心，而j d r e 系统可以从线、面、体三个层次来识别特征。 总体上讲，由于缺乏自主的c a d c a m 软件的支撑，以及反求工程的上游测试设备 和下游应用( c a d c a e c a m ) 基本为国外产品，使得国产软件产品在设备接口、数据 转换和应用上一直滞后于相关产品，开发的软件显得势单力薄，与国外软件相比处于竞 争的劣势。因此，如何将反求工程系统地应用于工业产品创新设计，如何根据工业设计 的需要来开发合适的反求工程系统，还处于摸索阶段【1 4 1 。 1 2 3 反求工程技术的发展趋势 反求工程是一门发展十分迅速的新兴学科，覆盖了许多技术领域。目前这项技术己 推广到设计和新产品的开发中，它的应用可大大降低产品的开发成本、缩短研发周期、 增强企业的竞争力。尤其是反求工程与快速原型、快速模具技术的结合更形成了一套快 4 流孔的流量发生变化，从而使节流孔两端的压差发生变化，这样使稳流阀的受力随转速 的变化而变化。当转向油泵的转速超过一定值后，随转速增加，稳流阀的开口逐渐增大， 溢流增大使转向油泵的输出一个相对稳定的流量，可使方向盘保持良好的稳定性。当外 界负荷超过转向油泵的最高压力时，安全阀开启卸荷，可防止系统过载，保护液压转向 系统。由于采用转向助力泵可以减少驾驶员手动转向力矩，改善汽车的转向轻便性、灵 敏度及汽车的操纵稳定性，因此在国外不仅在商用车上，而且在中高级轿车和轻型车上 也已经普遍应用【l 6 | 。 转向泵主要有叶片式、齿轮式及柱塞式等几种类型。从目前国内发展来看，推广使 用最多的是叶片泵，主要零件有定子、转子、阀心、配油盘、叶片、泵体及后盖等，其 结构如图1 2 所示。其中，定子过渡曲线的形式决定了叶片的运动和动力性能及泵的输出 流量的大小、脉动特性等，是影响泵噪音和寿命的主要因素，也是转向泵设计的关键技 术i l7 。对转向助力泵定子的反求建模研究，对于国外这一领域先进技术的掌握和产品的 创新开发都具有十分重要的现实意义。 - 誓 。- 蘩。j 1 转向泵轴2 油封3 壳体4 前配流盘5 转子 6 叶片7 定子 8 转向液油罐 9 0 型油封 1 0 0 型油封 11 弹簧卡环 1 2 弹簧 1 3 后配流盘 1 4 流量控制阀1 5 限压阀 图1 2 转向泵结构示意图 1 3 2 本文的主要研究内容 本文研究了反求工程在汽车转向助力泵定子的反求建模中的应用。从反求测量技术 1 绪论 及设备、点云处理、曲线模型重构等方面论述了反求工程技术的最新发展及应用，同时 研究了汽车转向助力泵的结构原理与定子曲线的构造，分析了定子曲线对助力泵的噪声 和振动的影响，并比较了国外的定子曲线设计的优势与国产品牌的缺点。最后结合反求 工程技术与反求软件i m a g e w a r e 对定子进行反求，重构定子c a d 模型并进行精度分析。 本次课题的研究，为我国叶片泵定子曲线的设计和创新提供了一种行之有效的方法，但 并不局限于此，这种方法可以扩大到同类机械产品的设计开发中去。 ( 1 ) 首先了解反求工程的含义及其出现和发展的历史背景，作用和应用领域，国 内外对于反求工程技术的应用和重视情况，反求工程的应用前景，反求工程与知识产权 的问题。针对国外进口转向助力泵价格昂贵和核心技术封锁的这一现状，提出了利用反 求工程技术对转向泵定子进行反求建模的解决方案。 ， ( 2 ) 对反求工程的基本步骤及其关键技术进行了深入的研究和分析，包括数据采 集、数据处理、模型重建等。其中主要对曲线、曲面的重构技术进行了重点探讨。 ( 3 ) 对转向助力泵的工作原理和结构特征进行了深入研究，着重分析了国内外常 采用的定子曲线的类型，以及对助力泵的振动和噪声的影响。 ( 4 ) 采用三维激光扫描仪对叶片泵的定子进行精密测量，获得定子表面的点云数 据，对定子内表面的点云数据进行分割即划分出大圆弧段、小圆弧段、过渡曲线段，对 过渡曲线段进行曲线拟合，重构定子c a d 模型，并对定子的c a d 模型进行误差和精度 评定分析。 ( 5 ) 探讨了反求工程所得的c a d 模型在建立之后的主要用途，并研究了反求工程 在引入到产品改进设计之后所带来的积极影响。 ( 6 ) 最后，对所做的工作进行了总结，找出研究工作中的不足，并对本领域的下 一步工作进行了展望。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 1 反求工程概述 2 反求工程及其关键技术 2 1 1 反求工程基本概念 反求工程，也称反向工程、逆向工程等。反求工程起源于精密测量和质量检验，它 是设计下游向设计上游反馈信息的回路i l 8 。 传统的产品实现通常是在市场调研的基础上，根据功能和用途来设计产品，得到图 纸或者c a d 模型，再制造出产品，最后通过检测和性能测试，这种开发模式的前提是 已完成了产品的蓝图设计或c a d 造型，称为预定模式( p r e s c r i p t i v em o d e l ) ，这就是目 前制造业广泛使用的j 下向工程( 或顺向工程) 。正向工程是对一个事物真相事先并不知 道，通过设计师的创造性劳动，变成满足一定要求的产品。为此，首先要根据市场需求， 进行功能设计，创造新方案，经过一系列的设计活动，变为产品。概括的说，正向设计 是由未知到己知、由想象到现实的过程，其工作流程如图2 1 ( a ) 所示。 产品的反求工程是根据零件( 或原型) 生成图样，再制造出产品。它是一种以先进 产品设备的实物、样件、软件( 包括图样、程序、技术文件等) 或影像( 图像、照片等) 作为研究平台，应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统分 析和探索，掌握其关键技术，进而开发出同类更为先进的产品的技术，是针对消化吸收 先进技术采取的一系列分析方法和应用技术的结合【1 9 1 。反求工程的工作流程如图2 1 ( b ) 所示。广义的反求工程包括形状( 几何) 反求、工艺反求和材料反求等诸多方面，是一 个复杂的系统过程。 目前，大多数有关“反求工程 技术的研究和应用都集中在几何形状，即重建产品 实物的c a d 模型和最终产品的制造方面，称为“实物反求工程。这是因为一方面，作 为研究对象，产品实物是面向消费市场最多、最广的一类设计成果，也是最容易获得的 研究对象；另一方面，在产品开发和制造过程中，虽已广泛使用了计算机几何造型技术， 但是仍有许多产品，由于种种原因，最初并不是由计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ，c a d ) 模型描述的，设计和制造者面对的是实物样件。为了适应先进制造技术 的发展，需要通过一定途径将实物样件转化为c a d 模型，以期利用计算机辅助制造 ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r e ，c a m ) 、快速成型制造和快速模具( r a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r e r a p i dt o o l i n g ，r p m r t ) 、产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，p d m ) 及计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t em a n u f a c t u r es y s t e m ，c i m s ) 等先进技术对 其进行处理或管理。同时，随着现代测试技术的发展，快速、精确地获取实物的几何信 8 2 反求工程及其关键技术 息已变成现实。目前，这种从实物样件获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术， 已成为c a d c a m 系统中的一个研究及应用热点，并发展成为一个相对独立的领域。在 这_ 意义下，“实物反求工程 ( 简称反求工程) 可定义为：反求工程是将实物转变为 c a d 模型数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。 y 回 ( a ) 正向工程流程( b ) 反求工程流程 图2 1 正向工程与反求工程 2 1 2 反求工程在实际中的应用 在制造业领域反求工程有广泛的应用背景。在下列情形下，需要将实物模型转换为 c a d 模型： ( 1 ) 尽管计算机辅助设计技术( c a d ) 发展迅速，各种商业软件的功能同益强大， 但目前还无法满足一些复杂曲面零件的设计需要，还存在许多使用粘土或泡沫模型代替 9 甲 西安科技大学硕士学位论文 c a d 设计的情况，最终需要运用反求工程将这些实物模型转换为c a d 模型。 ( 2 ) 外形设计师倾向使用产品的比例模型，例如汽车外形设计广泛采用真实比例 的木制或泥塑模型，以便于产品外形的美学评价，最终可通过运用反求工程技术将这些 比例模型用数学模型表达，通过比例运算得到美观的真实尺寸的c a d 模型。 ( 3 ) 由于各相关学科发展水平的限制，对零件的功能和性能分析，还不能完全由 c a e 来完成，往往需要通过试验来最终确定零件的形状，如在模具制造中经常需要反复 试冲和修改模具型面方可得到最终符合要求的模具。若将最终符合要求的模具测量并反 求出其c a d 模型，在再次制造该模具时就可运用这一模型生成加工程序，就可大大减 少修模量，提高模具生产效率，降低模具制造成本。 ，( 4 ) 目前在国内，由于c a d c a m 技术运用发展的不平衡，普遍存在这样的情况： 在模具制造中，制造者得到的原始资料为实物零件，这时为了能利用c a d c a m 技术来 加工模具，必须首先将实物零件转换为c a d 模型，继而在c a d 模型基础上设计模具。 ( 5 ) 艺术品、考古文物的复制。 ( 6 ) 人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造。 ( 7 ) 特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，须首先建 立人体的几何模型。 ( 8 ) 在r p m 的应用中，反求工程的最主要表现为：通过反求工程，可以方便地对 快速原型制造的原型产品进行快速、准确的测量，找出产品设计的不足，进行重新设计， 经过反复多次迭代可使产品完善。 2 1 3 反求工程与技术引进 市场全球化使国家、企业面临的竞争日趋激烈，市场经济竞争机制已渗透到各个领 域，随着科学技术的高度发展，科技成果的应用己成为推动生产力发展和社会进步的重 要手段。如何更快、更好的发展科技和经济，世界各国都在研究对策，充分利用别国的 科技成就加以消化与创新，进而发展自己的技术己成为普遍的手段。事实证明，技术引 进是吸收国外先进技术，促进民族经济高速度增长的战略措施，据有关统计资料表明， 各国百分之七十以上的技术都是来自外国，要掌握这些技术，正常途径就是通过反求工 程。实际上任何产品问世，不管是创新、改进还是仿制，都蕴涵着对已有科学、技术的 继承、应用和借鉴。引进技术的应用和开发一般分为三个阶段： ( 1 ) 使用阶段对引进的生产设备等硬件技术会操作、使用、维修，在生产中发挥 作用。对图样、生产工艺等软件应通过加工和生产实践的应用了解其特点及不足之处， 即做到“知其然。 ( 2 ) 消化阶段对引进产品或设备的设计原理、结构、材料、工艺、生产管理方法 等进行深入的分析研究，用科学的设计理论和测试对其性能进行计算测定，了解其原料 1 0 2 反求工程及其关键技术 配方、工艺流程、技术标准、质量控制、安全保护等技术，即做到“知其所以然 。 ( 3 ) 创新阶段对引进技术消化综合，博采众家之长，结合深入的科学研究，通过 移植、综合、改造等手段，开发具有本国特色的创新技术，并争取进一步实现某些技术 从输入到输出的转化。 由于技术保密，除非购买转让，否则要获得产品的图样、技术文档、工艺等技术资 料几乎是不可能实现的，而产品实物作为商品和最终的消费品，是最容易获得的一类“研 究对象。在只有产品原型或实物模型条件下，可以基于产品实物反求工程对产品零件 进行生产制造，除实现对原型的仿制外，通过重构产品零件的c a d 模型，在探询和了 解原设计技术的基础上，实现对原型的修改和再设计，以达到设计创新、产品更新之目 ，的。对于其他具有复杂曲面外形的零部件，反求工程更成为其主要的设计方式，如汽车、 摩托车的外形覆盖件，通常由艺术家制作1 ：1 的木或油泥模型，然后测量表面数据输 入计算机，进行造型、修改、完善，最后经c a m 完成模具。 2 2 数据采集 数据采集也称零件的数字化，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【2 0 1 。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、改进和制造。作为反求工程的第一步，如何高效、高精度的获得实物表面数据是反 求工程实现的基础和关键技术之一。根据测量探头是否和零件表面接触，零件表面的数 据采集技术主要可分为接触式和非接触式两种。 2 2 1 接触式数据采集方法 接触式数据采集方法包括使用基于力触发原理的触发式数据采集和连续扫描数据 采集、磁场法、超声波法等，最常用的就是机械接触式三坐标测量机( c o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e ，c m m ) 。 ( 1 ) 触发式数据采集方法。触发式数据采集采用触发探头，当探头的探针接触到 样件的表面时，由于探针尖受力变形触发采样中的开关，这样通过数据采集系统记下探 针尖的当时坐标，逐点移动，就能采集到样件表面轮廓的坐标数据。在触发式数据采集 过程中，由于探针必须偏移一个固定数值才会触发开关，而且一旦接触到样件的表面后， 探针需要法向退出以避免过量而折断，因此数据采集速度较低。数据需进行测头半径补 偿，而且由于测量力的存在，对一些软质表面或易损伤物体表面无法进行测量。 ( 2 ) 连续式数据采集方法。连续式数据采集采用模拟量开关采样头，由于数据采 集过程是连续进行的，速度比点接触触发式采样头快许多倍，采样精度也较高。此外， 由于接触力较小，允许用小直径的探针去扫描具有细微部分或由较软材料制造的模型。 由于采样速度快，连续式数据采集可以用来采集大规模的数据。 西安科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 磁场法。该方法是将被测物体置于被磁场包围的工作台上，手持触针在物体 表面运动，通过触针上的传感器感知磁场的变化来检测触针位置，实现对样件表面的数 字化，其优点是不需要像坐标测量机一类的设备，但不适宜于导磁的样件。 接触式测量与非接触式测量方法相比较有以下优点： ( 1 ) 因接触式探头发展已有几十年，其机械结构及电子系统已相当成熟，故有较 高的准确性和可靠性。 ( 2 ) 接触式测量为探头直接接触工件表面，故与工件表面的反射特性、颜色及曲 率关系不大。 ( 3 ) 被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速准确地测量出物 体的基本几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等。 接触式测量有以下缺点： ( 1 ) 为了确定测量基准点而使用特殊的夹具，会导致较高的测量费用。不同形状 的产品会造成原来的央具不适用而使成本大幅度增加。 ( 2 ) 球形的探头易因接触力造成磨耗。所以，为了维持一定的精度，需要经常校 正探头的直径。 ( 3 ) 不当的操作容易损害工件某些重要部位的表面精度，也会使探头损坏。 ( 4 ) 接触式触发探头是以逐点进出方式进行测量的，所以测量速度慢。 ( 5 ) 检测一些内部元件有先天的限制，如测量内圆直径，触发探头的直径必定要 小于被测内圆直径。 ( 6 ) 对三维曲面的测量，因传统接触触发式探头是感应元件，测量到的点是探头 的球心位置，故欲求得物体真实外形则需要对探头半径进行补偿，因而可能会导致修正 误差的问题。 ( 7 ) 接触探头在测量时，接触探头的力将使探头尖端部分与被测件之间发生局部 变形而影响测量值的实际读数。 ( 8 ) 测量系统的支撑结构存在静态及动态误差。 ( 9 ) 由于探头触发机构的惯性及时间延迟而使探头产生超越( o v e r s h o o t ) 现象， 趋近速度会产生动态误差。 ( 1 0 ) 另外，测量接触力量即使一定，而测量压力并不能保证一定，这是因为接触 面积与工件表面纹路的几何形状有关，不能保证为一样。 2 2 2 非接触式数据采集方法 非接触式测量根据测量原理的不同，分为光学测量法、工业c t 测量法、核磁共振 ( m 刚) 测量法、超声波测量法、电磁测量法、层析法等方式，较为成熟的是光学测量 法。光学测量法主要运用光学原理进行数据的采集，主要包括：激光三角法( l a s e r 1 2 2 反求工程及其关键技术 t r i a n g u l a t i o nm e t h o d s ) 、结构光法( s t r u c t u r em e t h o d s ) 以及图像分析法( i m a g e a n a l y s i s m e t h o d s ) 等，而其他方法包括c t 测量法、m 融核磁共振测量法、层析法、超声波法等， 在反求工程中应用很少。 ( 1 ) 激光三角测距法。激光三角测距法是反求工程中曲面数据采集运用最广泛的 方法，其基本原理为：激光二极管所发出的激光，经过透镜聚焦投射到样件表面，被表 面反射或漫反射，反射或漫反射的激光通过收集透镜聚焦，就成了位置测量器( 如摄像 机) 上的小光点，采样头和模型之间的距离可以根据反射光点的位置计算出来。 ( 2 ) 距离方法( r a n g em e t h o d s ) 。利用光束的飞行时问来测量被测点与参考平面 的距离，主要有脉冲波、调幅连续波、调频连续波等工作方式。由于激光的单向性好， 多采用激光作为能量源，这种方法的精度也较高。 ， ( 3 ) 结构光法。将一定模式的光照射到被测样件的表面，然后摄得反射光的图像， 通过对比不同模式之间的差别来获取样件表面的点的位置。它的特点是不需要坐标测量 机等精密设备，造价比较低，但精度较低，操作复杂。 ( 4 ) 图像分析法。与结构光法的区别在于它不采用投影模板，而是通过匹配确定 物体同一点在两幅图像中的位置，由视差计算距离。由于匹配精度的影响，图像分析法 对形状的描述主要是用形状上的特征点、边界线与特征描述物体的形状，故较难精确的 描述复杂曲面的三维形状。 ( 5 ) 工业计算机断层扫描成像法( i n d u s t r i a lc o m p u t e rt o m o g r a p h y ) 。工业计算机 断层扫描成像( 简称i c t ) 是对产品实物经过i c t 层析扫描后，获得一系列断面图像切 片和数据，这些切片和数据提供了工件截面轮廓及其内部结构的完整信息，不仅可以进 行工件的形状、结构和功能分析，还可以提取产品工件的内部截面，并由工件系列截面 数据重建工件的三维几何模型。i c t 的最大优点在于它能测量工件内部断面的信息，并 且对零件不造成破坏，因而适用于任意的形状结构，但测量精度不高。 ( 6 ) 逐层切削照相测量法。逐层切削照相测量法是一种新兴的断层测量技术，它 以极小的厚度去逐层切削实物( 最小可达0 0 1 m m ) ，并对每一断面进行照相，获取截面 图像数据，其轮廓测量精度可高达士0 0 2 r a m ，是目前断层测量精度最高的方法，而且成 本较低，但它的突出缺点是损伤实物。 非接触式测量主要有以下优点： ( 1 ) 不必做探头半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置。 ( 2 ) 测量速度非常快，不必像接触式触发探头那样逐点进出测量。 ( 3 ) 软工件、薄工件、不可接触