正向工程与反向工程

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1、正向工程与反向工程　　随着计算机辅助几何设计的理论和技术的发展和应用，以及CAD/CAE/CAM集成系统的开发和商业化，产品实物或模型首先通过扫描测量以及各种先进的数据处理手段获得产品的几何信息，然后充分利用CAD/CAM技术快速、准确地建立产品的数学几何模型，经过适当的工程分析、结构设计和CAM编程，就可数控加工出产品模具，最后制成产品，实现从产品(样件)-一再设计―产品(批量)的过程。　　这种实物测量反求技术始于用油泥模型(通常称为主模型)设计汽车、摩托车外形，并借助仿形技术完成零部件的设计制造;现已广泛应用于产品改型、模具翻制等生产活动中;特别是对于具

2、有复杂曲面外形的产品，以类似的方法进行设计，可以大大地缩短产品的开发周期，提高产品与样件的几何相似度，是消化、吸收先进技术进而改造和开发各种新产品的重要手段，它已成为反向工程的主要内容。　　反向工程(ReverseEngineering,RE)也称逆向工程或反求工程，是相对于传统的产品设计流程即所谓的正向工程(ForwardEngineering,FE)而提出的。正向工程是泛指按常规的从概念(草图)设计到具体模型设计再到成品的生产制造过程。反向工程常指从现有模型(产品样件、实物模型等)经过一定的手段转化为概念模型和工程设计模型，如利用三坐标测最机的测量数据对

3、产品进行数学模型重构，或者直接将这些离散数据转化成NC程序进行数控加工而获取成品的过程，是对已有产品的再设计、再创造的过程。作为获取成品的两种不同途径，正向工程和反向工程的设计流程如图7一1所示。　　正向工程与反向工程的本质区别在于对“设计从哪里开始”这一问题的回答。在正向工程中，设计是从为了实现某一功能的概念开始的，这时，设计者首先要对产品进行功能分析，在满足功能要求的前提下选择合适的结构组合成一个产品雏形，再根据各种约束条件(几何约束、整体协调性、人机工程、美学要求等等)来修正这一雏形，直到产品定型为止，其难点或关键在于对所设计产品的使用要求(功能)要了

4、如指掌，并能找到合理的物化过程和物化结构。　　反向工程更多的是一种几何实现的设计过程，即产品设计是从模型数字化的实现过程开始的，往往是对已有产品的仿制或仅仅做局部有限的改动，而对产品的功能要求则不作主要因素考虑，其难点或关键在于模型的重构技术，这里的模型重构是指对已有模型进行合理几何表达的方法。对于以规则几何体为主的产品，可采用手工测绘或利用一些辅助设备如三坐标测量仪等对几何关键点进行测量，给出产品的几何表达即可;对于以不规则的自由曲面为主的产品，目前一般的做法是利用三坐标测量机对产品进行扫描，再借助一些CAD/CAM系统软件对扫描的点云(形象地表达出点的数

5、量)数据进行处理，最终重构出满足一定几何精度的新的产品数学几何模型。　　对于手工测绘，执行者为工程技术人员，可以用符合人类对产品的几何特征表达来抽取(测绘)产品的特征信息，如直线的距离(长度)、起止位置，圆弧的半径、中心点位置等等。虽然这是一个繁杂的过程，但有了这些几何信息就如同正向工程的几何表达方式，其数字化实现过程与正向工程没有太大的区别。而对于机器扫描，执行者为测量机或扫描仪，由于目前这类机器无法对产品特征进行识别，所以只能以一定的模式将产品模型离散化成三维的作标点集，也就是说，扫描的结果只能得到了丢失所有特征信息的点云模型。我们知道，任何一种仅仅基于

6、点表达的设计都是非常棘手的，由于不知道原来的设计意图，我们甚至很难从点云中抽取出一条直线，整个反向建模过程往往是被动的，设计的自由度较小，难度也就比正向设计大得多。数字化过程的手段也十分苍白无力，我们必须设法在CAD系统中从这些点云中拍取出可供构造其他几何元素(如直线、圆弧、样条曲线等)的特征点或节点，在数以万计的点云中要完成这项任务是十分繁琐且低效的。如果因样件问题或测址问题导致测量点的精度不高，那么要解决剔除噪声点等工作更是难上加难。这些可归结为数据的采集与处理问题，是反向工程中要解决的关键。　　工艺反求与几何反求　　对于模具设计而言，反向工程的内容主要

7、包括两部分内容：工艺反求和几何反求。所谓工艺反求，就是对于无法一次成形的板料或体积成形产品，必须根据最终的产品形状根据不同的成形条件设计出相应的中间工序件和毛坯形状，由于整个设计过程与成形工艺密切相关，我们把这一过程称为工艺反求。几何反求则如上节所述，就是利用已获得的初始数据模型进行模型的重构技术，由于整个过程主要和几何造型相关，我们把这一过程称为几何反求。几何反求的关键技术将在后面章节论述，本节主要论述板料成形过程工艺反求的相关技术。　　板料成形数值模拟涉及到几何非线性、材料非线性和接触非线性问题的分析和计算。随着数值分析技术、塑性成形理论和计算机能力的发

8、展，以及对冲压过程越来越深刻的认识和理解，从20世纪