（机械电子工程专业论文）基于产品基因的逆向工程的研究与应用.pdf

摘要 摘要 目前，经济竞争已成为世界各国竞争的焦点和社会发展的主要动力。对于企 业来讲，竞争的核心是新产品设计的竞争。随着信息技术的高速发展，产品的生 命周期日益缩短，产品创新的速度也将越来越快。一个企业若拥有可持续的创新 机制和人才，就能在激烈的国际市场竞争中抢占科技和产品制高点。因此，在提 倡建设创新型国家的新形势下，积极探索适应机械类大学生的创新设计教育方法 对于培养具有创新意识、创造激情、创新思维及创新能力的机械设计人员，具有 重要的现实意义。本文研究了基于产品基因的逆向工程，开发了逆向工程系统， 并将该系统应用于机械设计课程教学，以提高学生的设计和创新能力。 首先从理论上对产品逆向工程进行了研究，介绍了基于产品基因的逆向工程 理论基础分解重构原理、广义定位原理、功能表面理论和产品基因定义。利 用广义定位原理将概念结构中的功能表面联系起来，以功能模式和功能表面的组 合来描述零件的概念结构和产品基因。 在技术研究方面，本文给出了产品基因逆向工程的关键技术，包括产品基因 逆向求解技术、产品基因的编码和存储技术以及产品基因库的建立和管理方法等。 其中，产品基因逆向求解技术又包括产品结构模型的建立、概念结构创成、设计 过程重构等过程。 在上述理论和技术的基础上，开发了产品逆向工程系统p r e d a r f a d 。它是以 三维造型软件a c l s 为几何建模平台，采用面向对象技术开发的系统。从已有产品 的三维实体出发，在本系统内对产品进行三维建模或经由第三方软件生成s t e p 文 件后置处理；然后进行概念结构创成，提取功能模式，并利用功能模式之间的耦 合作用实现对功能基因的反求。具体包括实体造型、产品装配、概念结构创成、 产品基因获取、基因库管理、版本管理等功能模块。最后以手动台钻为例，详细 描述了如何采用基于产品基因工程的产品逆向工程方法教授学生机械产品设计的 过程，为学生更好的理解设计知识，找出可行的设计步骤，提高创新设计能力提 供了一个良好的平台。 关键词功能表面；产品基因；逆向工程；课程教学；p r e d a r f a d a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t , e c o n o m i cc o m p e t i t i o nh a sb e c o m et h ef o c u so fc o m p e t i t i o ni nt h e w o r l da n dam a j o rd r i v i n gf o r c eo fs o c i a ld e v e l o p m e n t f o re n t e r p r i s e s ，t h ec o r eo ft h e c o m p e t i t i o ni st h en e wp r o d u c td e s i g nc o m p e t i t i o n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , p r o d u c tl i f ec y c l ec u r t a i l sd a i l y , t h ep r o d u c ti n n o v a t i o ns p e e d w i l lb ef a s t e ra n df a s t e r i fab u s i n e s sh a sas u s t a i n a b l ei n n o v a t i o nm e c h a n i s ma n d p e r s o n n e l ，i tw i l lb ea b l et oc o n t r o lt h ec o m m a n d i n gp o i n to ft e c h n o l o g ya n dp r o d u c t si n f i e r c ei n t e r n a t i o n a lm a r k e t c o m p e t i t i o n t h e r e f o r e ，u n d e rt h e n e ws i t u a t i o no f a d v o c a t i n gt h ec o n s t r u c t i o n o fi n n o v a t i v ec o n t r y , f o rc u l t i v a t i o no fm e c h a n i c a l d e s i g n e r si n n o v a t i o nc o n s c i o u s n e s s ，c r e a t i o ne n t h u s i a s m ，i n n o v a t i o nt h i n k i n ga n d i n n o v a t i o na b i l i t y , i ti so fg r e a tr e a l i s t i cs i g n i f i a n c et oe x p l o r ea d a p t i n gt om e c h a n i c a l u n d e r g r a d u a t ee d u c a t i o nm e t h o do fi n n o v a t i o nd e s i g n p r o d u c tr e v e r s ee n g i n e e r i n g b a s e do np r o d u c tg e n ew a ss t u d i e di nt h i sp a p e r , r e v e r s ee n g i n e e r i n gs y s t e mw a s e x p l o r e da n dt h es y s t e mw a sa p p l i e di nm e c h a n i c a ld e s i g nc o u r s et op r o v ed e s i g na n d i n n o v a t i o na b i l i t yo fs t u d e n t p r o d u c tr e v e r s ee n g i n e e r i n gi sr e s e a r c h e df i r s t l y t h eb a s i ct h e r o yo fp r o d u c t r e v e r s e e n g i n e e r i n g b a s e do n p r o d u c tg e n e ，i n c l u d i n gd e c o m p o s i t i o n a n d r e c o n s t i t u t i o np r i n c i p l e ，g e n e r a l i z e dp o i s t i o n i n gp r i n c i p l e ，f u n c t i o ns u r f a c et h e r o ya n d p r o d u c tg e n ed e f i n a t i o n f u n c t i o ns u r f a c ei nc o n c e p t u a ls t r u c t u r ei sr e l a t e dt h r o u g h g e n e r a l i z e dp o i s i t i o np r i n c i p l e ，a n dt h ec o n c e p t u a ls t r u c t u r eo fp a r ta n dp r o d u c tg e n e w e r ed e s c r i b e db yc o m b i n a t i o no ff u n c t i o np a t t e r na n df u n c t i o ns u r f a c e i nt e c h n o l o g yr e s e a r c h ，t h ek e y t e c h n o l o g yo fp r o d u c tg e n er e v e r s ee n g i n e e r i n gi s p r o p o s e di nt h i sp a p e r , i n c l u d i n gt h er e v e r s ea c q u i s i t i o nf o rp r o d u c tg e n e ，c o d i n ga n d s t o r a g et e c h n o l o g yo fp r o d u c tg e n e ，a n de s t a b l i s h m e n ta n dm a n a g e m e n to fp r o d u c tg e n e d a t a t h ep r o d u c tg e n er e v e r s ea c q u i s i t i o ni n c l u d e se s t a b l i s h m e n to fp r o d u c ts t r u c t u r e m o d e la n dc o n c e p t u a ls t r u c t u r eg e n e r a t i o n ，d e s i g np r o c e s sr e c o n s t i t u t i o na n ds oo n t h ep r o d u c tr e v e r s ee n g i n e e r i n gs y s t e mp r e d a r f a dw a sd e v e l o p e do nt h e b a s i so ft h ea b o v et h e r o ya n dt e c h n o l o g y t h es y s t e mw a sd e v e l o p e du s i n g i i i 山东大学硕士学位论文 o b j e c t o r i e n t e dm e t h o da n db a s e do na c i s3 dm o d e l l i n gs o f t w a r ep l a t f o r m s t a r t i n g f r o mt h ee x i s t i n gp r o d u c t s3 dm o d e l l i n g ，t h e3 dm o d e lo ft h ep r o d u c ti sb u i l ti nt h i s s y s t e mo rt h ef i l ef r o mt h i r d - p a r t ys o f t w a r ei sp o s tp r o c e s s e d ，t h e nt h ec o n c e p t u a l s t r u c t u r ei sg e n e r a t e d ，f u n c t i o np a t t e r ni se x t r a c t e d ，t h er e v e r s eo ff u n c t i o ng e n ei s r e a l i z e db yf u n c t i o np a t t e r nc o u p l i n g i n c l u d ec o n c r e t e l y ：s o l i dm o d e l l i n g ，p r o d u c t a s s e m b l y , c o n c e p t u a ls t r u c t u r eg e n e r a t i o n , p r o d u c tg e n ea c q u i s i t i o n , p r o d u c td a t a m a n a g e n m e n ta n dv e r s i o nm a n a g e m e n t f i n a l l yw i t ha ne x a m p l eo fb e n c hd r i l l ，a d e t a i l e dd e s c r i p t i o no fh o wt ot e a c hs t u d e n tm e c h a n i c a lp r o d u c t d e s i g np r o c e s sw i t ht h e p r o d u c tr e v e r s ee n g i n e e r i n gm e t h o db a s e do np r o d u c tg e n e ，t of i n df e a s i b l ed e s i g ns t e p s f o rab e t t e ru n d e r s t a n d i n go fd e s i g nk n o w l e d g e ，a n dt op r o v i d eag o o dp l a t f o r mo f i n n o v a t i o nd e s i g ni m p r o v e m e n t k e yw o r d s f u n c t i o ns u r f a c e ；p r o d u c tg e n e , r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；c o u r s et e a c h i n g ； p r e d a r f a d i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：乏缝碰e t 期：星旦。幺 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：至益碰导师签名期：趔璺望! 12 1 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第1 章绪论 随着改革开发的深入发展，我们面对着的是一个世界范围内的新技术革命和 经济竞争的严峻挑战，这也是一个难得的机遇。十七大提出深入贯彻落实科学发 展观，提出新世纪我国发展呈现出的新的阶段性特征：经济实力显著增强，同时 生产力水平总体上还不高，自主创新能力还不强，尤其是机械产品设计缺乏自主 创新性，很多技术都是从国外引进。因此培养优秀的机械设计人才成为当务之急， 如何培养设计人才，是我们需要认真研究和解决的问题。 “教师讲，学生听；教师问，学生答”在这种传统的教学模式中，学生成了 一个装知识的容器，教师成了教学的中心，学生成了配角，只能被动地跟在老师 后面走。教师应当在教学过程中充分调动学生的积极性，扮演好组织和引导者的 角色，充分发挥“以学生为主体，教师为主导 的作用。学以致用是我们学习知 识的最终目的。虽然对学生来讲，运用所学的理论知识来解决现实中有关机械创 新设计及变型设计的问题还很困难，但是时常让学生将自己摆在设计者的角度去 考虑问题，或许能更好地刺激学生学习的积极性。本文就是通过逆向工程技术来 为学生更直观、更具体的学习设计知识提供一个平台，让学生立体地去认识设计 过程而不仅仅在机械设计书中获取较抽象的概念。 为了让学生更好地去理解和认识一个零件、部件或产品的结构和功能，最好 的方法是采用实物教学，让学生对一些产品进行实际操作，了解其工作原理并对 每个产品进行拆卸，从而了解每个零件及部件的结构和功能，但是实物教学的成 本太高，学校一般很难达到这种要求，针对这一问题，本文提出采用软件系统来 代替实物教学，以功能表面、分解重构原理、广义定位原理为理论基础，借鉴生 物基因工程的思想，利用产品基因在概念设计知识表示和产品进化方面的潜力， 根据设计知识转换规律，研究产品基因逆向求解和产品基因库管理技术，开发产 品逆向工程设计平台，利用反求原理将设计过程、设计知识、产品结构以三维的 山东大学硕+ 学位论文 形式展现出来，帮助学生更好的理解产品的设计和功能。 1 2 产品基因理论与技术研究综述 现代生物学认为，基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传信息 传递和性状分化发育的依据，是生物体的生命蓝本。基因具有重组、突变、转录 或对其他基因起调控作用的遗传学功能，是遗传物质的最小功能单位。基因决定、 控制着生物整个发育的顺序和过程【l 】。基因工程是一种将生物基因通过基因载体运 送到另外一种生物的活性细胞中，并使之繁殖和行使正常功能，从而创造生物新 品种或新物种的遗传技术t 2 l 。通过对生物生长机理的深入研究分析，发现产品概念 设计与生物生长具有相似性，在产品内也存在类似的基因，称为产品基因。基因 与基因工程思想被研究者应用到了机械领域，特别是进化设计、智能设计、并行 设计、生物型设计及生物型制造系统等技术的发展，以及产品信息标准化及其管 理的需求，加速了“产品基因 这一名词的产生，它代表着机械设计与生物研究 的融合。近年来，国内外有关产品基因的研究主要集中在两个方面：一是针对产 品基因自身的理论性研究；二是基于产品基因特点对产品基因应用的研究。本文 则是将产品基因理论通过逆向工程的方式应用于机械工程教育领域，建立产品基 因库以支持教学工作。 1 2 1 产品基因理论概述 目前国内外对于机械产品基因的研究还较少，并且，由于研究目的、方法及 侧重点的不同，产品基因还未形成统一的概念。h o l l a n d 于1 9 7 5 年在阐述与类比生 物进化和设计活动的基础上提出了基因模型1 3 1 ；r i c h a r d 在遗传求解的基础上对产品 外形设计提出了一种基因经验模型【4 1 ，但与产品设计过程和描述有很大的差异。顾 新建等p 7 j 指出产品基因是产品科学和技术的继承者和传递者，参照生物基因模式， 对出现在机械产品生命周期的不同环节、具有不同内容的机械产品信息进行建模， 提出了产品概念基因模型、结构基因模型和工艺基因模型，并论述了产品生命周 期中基因模型的演变过程。认为产品信息模型是产品信息中经过某种程度标准化 的、具有一定通用性和相似性水平的产品信息，可用来在产品设计过程中继承和 2 第1 章绪论 传递产品知识；冯培恩等【8 】通过对生物基因工程与产品原理方案设计的系统类比， 将产品基因的概念作为产品原理方案设计中的信息遗传基础提出，认为产品基因 是关于产品功能及其实现手段的可遗传知识，由作用过程特征和求解特征组成。 c h e ny o n g 等【9 】用作用动词和一系列与原理解有关的特征来进行产品功能表达，实 现了对产品基因的定义；刘怡等f 1 0 】认为产品基因包含已形成产品的所有信息，面 向产品需求并能实现实际功能的可遗传性的知识体系，是对现有同类型机械产品 共性的总括；杨波等【1 1 】认为机械产品功能可以通过组成产品的零件的功能表面来 实现，这些满足特定产品需求的功能表面和功能表面的组合，组成了产品原始基 因。上述文献侧重于产品基因概念和模型定义等相关理论研究，虽然侧重点不同， 但都借鉴生物基因相关理论，认为产品基因是产品知识传递和重组的信息载体， 对实现产品创新设计具有重要作用。 1 2 2 产品基因技术应用研究 产品信息基因是基于生物基因所提出的，所以具有与生物基因相类似的特点： 遗传性、变异性、自适应性和自组织性。产品基因的这些特点决定了产品基因的 应用范围。研究者将产品基因应用于机械领域的多个方面，其中基于产品基因的 设计是研究的热点和重点，包括基于产品基因的概念设计、创新设计和自动化设 计等。g e r o 等1 1 2 1 4 1 将基因工程应用在遗传算法中，提出“设计基因工程”( g e n e t i e e n g i n e e r i n g i nd e s i g n i n g ) 的概念，他将设计基因工程应用在建筑空间布局规划中， 把一套办公室分配给事先圈定的空间中，在解决问题中，发现一组特殊基因可表 示良好的结构，只要这些基因彼此相邻，就可得到较高的适应度，从而获得优良 布局。基于继承性的概念与可重用性的概念是一致的这个论断，祁国宁等【1 5 】提出 将产品基因用于产品大批量定制技术，并认为产品的自组织性对于大批量定制具 有特殊的意义。冯培恩等【8 】提出基于产品基因的概念设计方法，通过对生物基因工 程与产品原理方案设计系统类比，提出了产品基因的转录、翻译、复制及逆转录 机理，揭示了产品基因在功能设计与原理方案设计之间的桥梁作用。建立了产品 基因遗传和重组的概念设计框架。陈洪武等【16 】将产品基因用于产品结构自动化设 计，从未知产品根本需求和实现功能出发，在广义定位原理和基于功能表面分解 重构技术基础上，以产品基因为依据，提出基于产品基因进化思想的产品建模方 山东大学硕十学位论文 法。c h e nkz 等【1 7 。9 1 认为产品设计大多是基于现有产品或产品的相似性，产品的创 新也可以通过类似基因工程的方法来进行，提出了基于基因工程的支持创新设计 的设计理论与方法。穆建华等【2 0 】在研究机械振动中的单自由度振动的基础上，给 出了弹簧产品基因模型，并且利用t r i z 理论简要分析了两种弹簧产品的进化过程， 得到将产品基因理论和t r i z 理论结合在产品变异设计中具有很大实用性的结论。 另外产品基因还被应用到其他方面，如赵亮等【2 m 2 1 将基因工程应用在产品成本建模 的研究上，提出了基于基因复制、基因转录和基因转译等工程原理的成本信息传 递和转化表达的新方法。冯培恩等【2 3 】将产品基因用于能量转换功能求解中，构造 了能量型产品基因知识库，建立了基于产品基因的启发式原理方案求解模型，并 给出了求解实例。周生祥【2 4 】通过研究父部件与子部件之间尺寸特征和形状特征的 继承关系及零部件的结构变异，揭示出了“特征 信息流在产品树中的传播规律， 提出了基于基因工程思想的产品建模方法。杨波等【2 5 】利用零件基因模型为基础， 给出了基因编码表示的体基因串，以及基于包围盒表示的基因单元参数的描述方 法，建立基于体基因编码的模糊检索，以及基于零件基因单元之间关联度的二级 检索模型。并利用层次分析法，解决了以往零件特征重要程度权重受主观性因素 影响过多的问题。陈昆昌【2 6 l 等说明了产品基因建模的概念、特点和划分准则，将 产品基因模型用于大批量定制产品仿生建模基础。上述对于产品基因应用研究， 显示了产品基因所具有的应用价值和多面性，说明产品基因具有重要的研究价值 和实践意义。 1 3 逆向工程研究综述 “逆向工程”( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 1 2 7 1 ，也称反求工程、反向工程等，它 起源于精密测量和质量检验，是设计下游向设计上游反馈信息的回路。广义的逆 向工程是消化、吸收先进技术的一系列工作方法的技术组合，是一门跨学科、跨 专业的、复杂的系统工程。它包括影像逆向、软件逆向和实物逆向等三个方面【2 引。 实物逆向：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、性能、方案、结构、材质等多方面的逆向。实物逆向的对象可以是整 机、零部件和组件。软件逆向：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。软件逆向有 4 第1 章绪论 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。影像逆向：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，设计者通过这些影像材料去构思、设计 产品的过程。 1 3 。1 逆向工程的概述 在逆向工程的产生和发展过程中，由于逆向工程的出发点、侧重点以及应用 场合等方面的不同，在不同的文献中有不同的定义，传统的反求设计主要是指快 速生成已有产品的零件原型，从而加工出相似产品。s a r k a r 等【2 9 】提出逆向工程是 构建通过数字化数据点和系列产生c a d 数据库的过程，主要应用于机械和检测。 k e w o n 等1 3 0 】定义逆向工程是一种在没有原始设计信息的情况下，基于现有产品的 一部分而产生的设计方法。 美国军用手册定义【3 1 j ：“反求工程是通过物理测量现有零件以获取竞争力需要 的技术资料并从功能和尺寸上复制某一物品的过程 。国内学者f 3 2 】认为反求工程是 综合性很强的研究领域，涉及设计方法学，现代设计理论、方法、技术、专业和 工程设计经验、知识和创新思维等众多学科与领域。 目前国内逆向工程研究较多仍主要在零件的快速成型方面 3 3 - 3 s 1 ，对已有零件模 型的反求，无法超越原有的零件，简单的模仿也无法了解到最初的产品设计思想。 结合具体产品的产品反求【3 】、原始设计参数的反求f 3 引、以及面向创新设计的逆向 工程系统研究1 3 9 】都把反求提高到产品层次上，对产品设计历程所依赖的知识及其 参数选择规则有进一步的理解和消化，有利于总结现有实物原型成功的设计经验 和设计方法。刘影等【3 2 】贝0 进一步将反求工程的研究领域拓宽到工艺、材料、原理 等方面，提出反求工程是对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。 1 3 2 逆向工程的应用研究 逆向工程在实际应用中有十分广泛的需求。概括起来，逆向工程可以在以下 诸多方面发挥重要作用【4 0 4 1 】： ( 1 ) 通过逆向工程将实物模型转化为三维c a d 模型。目前，许多外形设计 山东大学硕士学位论文 还难以直接用计算机进行某些物体( 如复杂的艺术造型、人体和其他动植物外形 等) 的三维几何设计，而更倾向于用木材或泡沫塑料进行初始外形设计，再进行 模型设计。 ( 2 ) 逆向工程在改型设计方面可以发挥不可替代的作用。由于工艺、美观、 使用等方面的原因，人们经常要对已有的构建做局部修改。在原始设计没有三维 c a d 模型的情况下，若能将实物构建通过数据测量与处理产生与实际相符的c a d 模型，对c a d 模型进行修改以后再进行加工，将显著提高生产效率。 ( 3 )以现有产品为基础进行设计升级已经成为当今产品设计的基本理念之 一。目前，我国在设计制造方面距发达国家还有一定的差距，利用逆向工程技术 可以充分吸收国外先进的设计成果，使我国的新产品设计立于更高的起点，同时 加速某些产品的国产化速度。 ( 4 ) 某些大型设备，如航空发动机、汽轮机组等，常会因为某一零部件的 损坏而停止运行，通过逆向工程手段，可以快速生产这些零部件的替代品，从而 提高设备的利用率和使用寿命。 ( 5 ) 借助于工业c t 技术，逆向工程不仅可以产生物体的外形，而且可以快 速发现、度量、定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤的重要手段。 ( 6 ) 利用逆向工程手段，可以方便地产生基于模型的计算机视觉。 ( 7 ) 通过实物模型产生相应的三维c a d 模型，可以使产品设计充分利用 c a d 技术的优势，并适应智能化、集成化的产品设计制造过程中的信息交换。 逆向工程除了广泛应用在航天工业、机械工业、消费性电子产品等几个传统 应用领域外，也开始应用于休闲娱乐方面，比如用于立体动画、多媒体虚拟实境、 广告动画等；另外在医学科技方面，如人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造、 人体外形量测、医疗器材制作等，也有其应用价值【4 2 1 。而本文，针对目前机械设 计课程教学存在的专业性强、内容枯燥、知识较分散等问题，提出了逆向工程的 新概念，讨论了基于产品基因的产品逆向工程技术的研究及其在教学中的应用。 本文中的产品反求是以已有产品的图纸、c a d 实体模型等为出发点，在广义 定位和分解重构原理的指导下，充分利用设计人员的创新思维和设计经验，对已 有产品进行深入功能分析的基础上掌握其设计思想与关键技术，提取产品基因， 对已有产品充分借鉴而不拘泥于其形式( 如尺寸、公差、材料等) ，从而让机械设 计的学生更详细的了解设计的内涵及设计过程，更好的掌握设计知识，其体系结 6 第1 章绪论 构图如图卜1 所示。产品反求设计的本质就是最大程度上吸收原有产品的设计思 想及关键技术，并支持产品的创新设计，充分发挥学生的创新设计能力。 产品基因获取 s t e p 文件 一读取翻译转化 产品 添加功能基因 概念 结构 l = 维渣刑t 目ll 壮鄱下h 醇惜铀l 建立 结构基因获取 i = 难趸坐上只h 蔽目巴圳日匕俣扶i 图1 1 产品逆向工程体系结构 1 4 本文的研究内容与组织安排 本文借鉴生物基因工程思想，以功能表面分解重构原理、广义定位原理为理论 基础，提出产品逆向工程新概念，并在此基础上开发产品逆向工程软件，以支持 机械设计课程教学工作，解决了机械设计课程教学中存在的枯燥、抽象、学生难 以进行创新等问题。论文的组织结构见图卜2 所示。 7 山东大学硕十学位论文 8 墨绪 章论 基工 于程 产理 第品论 二基及 章因技 的术 逆基 向础 产 口 口口 第基 三因 章的 获 取 基向 于工 第害誓 粤篓易 早因化 的技 逆术 系帝 鬻 叫 结 第论 六与 章展 望 课题研究的背景和意义 产品基因理论 逆向工程研究 理论基础 技术基础 逆向工程理论 产品基因的获取 产品基因获取中的实例 分析 产品基因模型 产品基因编码 产品基因库的建立及管 理技术 系统软硬件开发环境 实例应用 全文总结 展望 图1 - 2 论文组织结构 提出研究基于产 品基因的逆向工 程系统，最终将 其应用于教学 提出逆向工程的 理论基础和技术 技术，以及逆向 工程的体系结构 研究了产品基因 的获取问题并基 因获取中的实例 进行了分析 建立了产品基因 模型，对产品基 因进行编码，建 立产品基因库 简单介绍了系统 开发的软硬件环 境，最后用台钻 的例子对如何将 系统应用于教学 做了详细描述。 介绍了作者所做 工作，对全文进 行总结并对下一 步工作进行了展 望 基于产品基因的产品逆向工程的研究与应用 第2 章基于产品基因的逆向工程的理论及技术基础 第2 章基于产品基因的逆向工程的理论及技术基础 目前关于逆向工程的研究多集中在零件的快速成型方面，对已有零件模型的反 求，无法超越原有的零件，简单的模仿无法了解到产品最初的设计思想【4 3 】。本课 题主要针对目前机械设计课程教学存在的知识较分散、内容枯燥、没有实物原型 仅靠单一的抽象理解很难发现各零部件之间功能定位关系的问题，讨论了开发基 于产品基因的逆向工程软件的问题。把反求提高到产品层次上，通过逆向分析总 结现有实物原型的成功设计经验和设计方法，力求让机械设计课程学生充分理解 人类设计的产品，并在此基础上进行创新，从而提高学生的学习效率。 2 1 系统理论基础 2 1 1 分解重构原理 机械产品创新设计所必须完成的核心内容就是要探索机械产品创新发明的机 理、模式和方法，具体描述机械产品创新设计的过程，并使之程式化，乃至符号 化、算法化。然而，目前已有的创新方法，如智暴法、类比法、形态分析法、输 入输出法等，都不容易实现创新设计过程的程式化与算法化，因此当前产品结构 创新设计存在的关键问题仍是缺乏实现创新的设计理论和相应的设计方法。 从创新设计出发，澄清发明与发现的关系，抽象概括为分析与综合，可形式 化的基本模式就是分解与重构。分解和重构是辨证的统一体，与传统的分解方法 有着本质的区别。黄克正等 4 4 - 4 6 j 指出“问题的再认识往往能产生新的解决方法 。 就发现和发明的关系而言，科学发现是对现实世界的认识，它扩大了人类对自然 界的认识能力；而创造发明则是产生物质世界不曾存在的物品，其本质是已有物 品的分解与重新组合构造，新发明是现实世界的结构的重新组合。这就是“分解 重构理论 ( p r i n c i p l eo f d e c o m p o s i t i o na n dr e c o n s t i t u t i o n ) 。 分解从理论上讲，物质是可分的，任何物质都是可分的。但是，对于特定 的领域和特定的目的，分解的对象和分解层次需要认真分析与研究。机械产品设 9 山东大学硕十学位论文 计问题、设计需求、产品结构、设计过程和设计结果等都是可以分解的对象。 产品设计过程可以按照设计内容分解为不同阶段，分解方式很多，其中常见 的一种分解方式是：先功能( 作用原理) ，后定性( 结构) ，再定量( 参数计算、 优化) 。我们提出的设计过程为：功能设计一功能表面集一功能结构一功能零件 一实体零件。 重构重构就是综合，对于创新设计具有分析方法不可替代的作用。在设计 过程中，方案筛选，模型统一，组合相容性和整体性检查，系统完备性检查等都 需要重构技术。在结构设计中，各独立单元的功能与结构，例如功能表面，功能 零件，功能产品都需要在分解的基础上重新构成。根据对象的关系类型，各独立 单元的功能与结构可以分层逐步综合。例如，功能表面一功能模式一功能零件一 功能产品。如图2 - 1 所示是设计需求与产品结构分解重构过程。 分 解 过 程 需求 子功能1 子功能n 子结构1 子结构n 厂h 特征1 厂 结构特征1 厂_ 厂h 元素1 结构基元l 性能行为表面约束 图2 1 设计需求与传统结构的分解重构 重 构 过 程 将分解重构理论应用在机械产品的结构设计中，需要选择适当的分解粒度空 间以及相应的重构粒度空间，如表2 1 表明了产品可能具有的分解粒度空间、相应 实体重构的难度以及可能具有的发明创造性的程度的相互关系【4 7 】。 通过机构粒度空间的定性划分来看，结构分解粒度越细，结构重组空间越大， 具有越大程度的创新性。但在分解粒度细化的同时，增加了重构的难度；对于线 或点的分解粒度，即使最简单的机械产品，其重构的复杂度也是无法想象的。 特征和表面是目前应用范围最为广泛的实体造型基本单元。就产品创新的机 会而言，表面优于特征，表面位于特征定义的下层空间，表面可重构出更多的产 品结构，具有更为广阔的产品重构空间。表面的组合方式更加灵活多样，便于创 1 0 第2 章基于产品基冈的逆向工程的理论及技术基础 新式零件及机构的产生；但同时，也为零件及机构的重构带来相当大的难度。因 此研究基于表面层次的实体表达、实体重构等问题变得至关重要。 表2 - 1 机构的分解粒度与可重构空间 结构分解粒度结构重构空间创新性的程度重构的难度 现有结构、标准件等介乎无极差易 现有零件小差较易 特征较大一般一般 表面大大困难 线或点 极大极大几乎无法重构 在机械产品结构设计中，应用分解重构原理将现有产品结构分解为功能表面 组合，再将这些功能表面重构为新的产品。将分解重构理论应用在机械产品的需 求分析上，产品的整个需求功能分解为功能单元，再把这些功能单元重构为产品 概念结构。由于概念结构缺少顶点、线、面等几何信息，从几何意义上是不完整 的。零件结构重构是增加非功能表面及拓扑关系来构建几何和拓扑信息连续的实 体的过程。 2 1 2 广义定位原理 在人造物系统中，刚体具有相对的位置确定性是一种基本而普遍的要求，是 系统正确工作的必要条件。也就是说，产品中的零件在任何时候都必须处于规定 的空间位置和姿态，不能随机的改变当前状态，否则，整个产品就会处于一种不 可控的状态，将无法按照设计好的方式正确运行。产品中的零件都装配在一起， 某一零件位置都是由与之配合的其他零件约束的。如果把每个零件都当成一刚性 几何体，由于机构在除去原动件后自由度为零，我们就可以把其中某一个零件看 作是工件，而将其他零件看作夹具；“夹具”对“工件 实施定位和夹紧，从而使 我们选定的零件在空间有确定位置。这样我们就把一般零件间的配合关系与定位 和夹紧的概念联系了起来。 然而，零件之间的配合毕竟是不同于一般的夹具和工件间的定位关系的，在 产品运行的时候，它们之间是有相对运动的，因而夹具设计中的六点定位原理不 山东大学硕十学位论文 适用于零件之间的配合。为此，我们将定位的概念扩展为广义定位，将六点定位 原理扩展为广义定位原理，认为广义定位为零件配合表面间最基本和最普遍的约 束。 传统六点定位原理只考虑了刚体在空间静态定位的抽象条件与要求，仅作为 夹具静态定位设计时依据的原理，经长期设计实践表明理论上是正确而严格的； 然而，由于其未从结构设计角度考虑如何实现定位，没有根据机械产品功能上的 各种要求综合考虑实际定位问题，致使条理性差，操作起来常有矛盾产生，使机 械结构设计主要根据经验进行，难以实现设计自动化。传统六点定位原理偏重理 论和数学上的概念，由于其未考虑受力和运动因素。因而难以支持机械结构设计 自动化，需要作进一步的拓展。 根据人造系统的位置确定性这一基本而普遍要求，由单一静态刚体人造物的 狭义定位概念，扩展到广义的动态人造物系统的定位概念，从基本定位功能和结 构层次建立普遍的设计方程。 ( 一) 狭义定位原理 x e z e 气 | 一d 夕 k ，l 0 b v 一 图2 2 人造物及坐标系统图2 3 变趋矢量 对于单个静态刚体人造物的定位需求，假设环境e 坐标系为全局坐标系 o e x y z ，人造物a 坐标系为o 。一x y z ，如图2 - 2 所示。根据人类对人造物的控制 需求，具有相对确定的位置是单刚体人造物有效工作的必要条件。为方便表达一 个单刚体人造物o 在三维空间的位置和姿态，采用空间旋量【4 8 l 概念，用沿某一轴向 的移动d ；和绕这个轴的转动0 ；的合成螺旋矢量表示： w o = i x , 彤互q 届) ，j 1 ( 2 1 ) 定义：变动趋势矢量r ，简称变趋矢量r 。 1 2 第2 苹基于产品基冈的逆向工程的理论及技术摹础 对应客体的6 个旋量分量，共有1 2 个变动可能性，在这里把影响人造物o 位置 和姿态的变动可能性定义为变趋矢量，简称趋矢r 。如图2 - 3 所示，旋量w 第一个 分量x 对应的2 个趋矢x 和x 。圆柱体绕其轴线旋转不改变其位置和姿态，所以 不是变趋矢量。 定义：双螺旋量w 2 ：由旋量6 个分量对应的1 2 个趋矢组成的综合量，用2 表 示。 w 2 = 征，t ，正y ，z ：，t ：，疋。，l 。，互卢，卢，t ，) r ( 2 2 ) 对应人造物的定位需求：双螺旋2 ，需要确定满足该要求的措施和途径。对 应变化趋势特点，本文采用实际工程中的常用的物理限位概念，即在人造物变动 趋矢方向设置起限位作用的障碍。在概念表达时，用接触表面表示障碍实体对象， 以便于直观分析综合和自动化处理。用传统机械结构元素，以限位作用完成定位 功能，称为狭义定位。 具有限制人造物位置的功能的基本几何元素，称为限位元素： ( 1 ) 限位点域p ( p t ( t ) ，n ，( t ) ，6 ，( t ”：在空间某一固定基点p t ( x ，y ，z ) ，法矢为 n p ( t ) ，周围领域为6 p ( t ) 的单侧表面限位元素p ，如图2 4 所示。限位点域是最基本 的限位元素。 8 挈i 舂砣 图2 - 4 定位点域p图2 - 5 旋转限位点对 ( 2 ) 旋转限位点对p p ：由法矢相反的两个限位点域组成的限位元素。如图 2 5 所示，由限位点域p 1 和p 2 组成旋转限位点对p p = p 1 ，p 2n p ，= - n p ：j ； ( 3 ) 功能表面f s ( f u n c t i o n a ls u r f a c e ) ：作为人造物结构中的基本组成单元， 功能表面的基本功能是限位。可计算其等价限位点域数来定性衡量功能表面的限 位功能作用的大小。 为了综合解决任一刚体人造物的定位要求，提出单一静态刚体人造物的狭义 定位原理：狭义定位原理的充分必要条件是双螺旋中所有趋矢有对应的限位点域 或旋转定位点对。 山东大学硕士学位论文 当一个人造物a 达到定位要求时，记为g p ( a ) 。狭义定位原理表示为基本定位 方程： v p = a p 】 a p ) ( 2 3 ) 其中 f p ) 一一定位需求双螺旋量w 2 p p ) - 一限位点域向量 a p 卜一定位设计矩阵 由于双螺旋的不同分量之间具有关联性，或者说有耦合关系，用公理化设计 方法变为类似( 2 - 4 ) 式所示的下三角设计矩阵，其中零元素以空格简化表示。 1 l 1 l 1 l 1 1 l 1 l1 1l 1 1 1 1 ( 2 - 4 ) ( 二) 广义定位原理 扩展狭义定位原理可以得到以下广义定位原理：人造物不论是静止还是运动， 不论是单个刚体还是多个刚体组成的系统，也不论是采用机械限制还是其它相互 作用途径，都必须满足( 广义) 定位的要求。 ( 1 ) 等效限位点域或旋转定位点对 可以采用非传统机械元素基础限位的方法实现人造物定位，称为广义定位方 法。例如：摩擦力定位：部分自由度是由摩擦力限制；变形表面定位：定位表面 可以通过变形完成和解除定位功能；非接触力定位：靠重力、电磁力等完成部分 自由度的消除。 广义定位方法可以进行等效处理： 1 4 n 如b n如比n6跏脚 1 嘎 y y z z a 伍 p p 丫 丫 l l l l l t l l l t l 第2 章基于产品基冈的逆向工程的理论及技术基础 a 等效限位点域：由定位力方向为法矢方向的虚拟限位点域； b 等效旋转限位点对：由定位力矩方向为旋转方向的虚拟旋转限位点对。 ( 2 ) 单个运动刚体人造物的广义定位 运动中的单个刚体人造物在任一瞬时，都可看作为静态的刚体，即广义定位 的充分必要条件：任一瞬时，人造物双螺旋中所有趋矢有对应的( 等效) 限位点 域或( 等效) 旋转定位点对。 ( 3 ) 人造刚体系统广义定位 人造物系统定位是指其所有成员零件广义定位而保证系统整体的广义定位。 假设一个人造物系统a 髓是由n r b 个零件