逆向工程

2021年 7月 2日
概要 

逆向工程是指将实体部件拆解并测量的过程,目的是要了解部件的设计、工作原理、制造方式。逆向工程的对象可以是任何物体,巨型航空母舰或建筑结构,也可以是瑞士手表上的一组微型联锁齿轮。

为何使用逆向工程?
分析优化产品设计、制作替换部件、设计新产品
如何采集数据?
使用三维扫描仪、CT扫描仪,或三坐标测量机
逆向工程的用户有哪些?
汽车定制专家、产品设计师、研究人员(医疗、工业)等

简介

传统的设计工作流程是"从无到有",从零开始创造一件产品。而在逆向工程中,我们从一个现成的机器或部件开始,倒推流程,直接或采用间接的数字方式,一步一步,对每个部件或层次进行拆解。

逆向工程的目的通常是要创建可操作的三维CAD模型,如果进展顺利,逆向工程可以提供设计信息,助您实现以下目标:

  • 通过快速成型制造技术等方式,对传统设备和部件进行再创造
  • 对零件和机器进行故障分析,并根据需要重新设计
  • 深入分析竞品优缺点
  • 为缺货、成本昂贵或等待周期较长的部件轻松制作复制品
  • 优化现有部件和系统的性能
  • 根据设计信息,研发全新产品
  • 等等

逆向工程的数据采集

Artec Eva为退役建筑机械的圆形组件进行三维扫描。三维扫描之后被导出至Geomagic Design X逆向工程软件中,并作为制作实体模型的参考,制造替换零件。

在逆向工程领域,尽管偶尔也会采用其他数据采集方法,但无论是手动还是数字化方式,到目前为止,最流行的是三维扫描、CMM机器和CT扫描这三种方式。每种方法各有千秋,如何选择主要取决于您的应用场景、预算、技术使用经验和项目周期。

Artec Eva扫描仪制作的圆形组件3D网格模型

圆形组件CAD模型,可用于逆向工作

CT扫描

CT扫描是捕获物体内外部测量值的有效方式,通常被认为是医疗诊断的可靠工具。但是,在特定环境和应用中,CT扫描也是逆向工程的可行方案。CT扫描仪发射X射线穿过物体,大多不受视线的影响,可以捕捉内部特征、孔洞和空隙。 CT扫描仪通常发射X射线锥体,或X射线切片,然后将许多不同层次的数据组合成一个完整的3D模型。

EasyTom工业级CT扫描仪,CyberOptics Corporation供图

但CT扫描仪并非没有缺点。由于CT扫描利用辐射穿透被扫描的物体,所以,要捕获的物体需要能放入CT扫描仪的扫描架内,扫描架被牢牢密封起来,防止辐射泄漏,伤害操作人员。正因如此,CT扫描不适合大多数大中型物体。

要点:

虽然CT扫描仪的优势在于能够同时捕获物体的内外表面,但目前这种技术只适用于一小部分工业品。

一台可靠的CT设备价格可高达25万美元以上。除了价格不菲外,操作人员还需要经过专门的培训。CT扫描仪在扫描金属物体,甚至只是带有金属部件的物体时,还会偶尔出现缺陷。这是因为金属会吸收和发散X射线,当X射线照射到金属部件或部分表面时,会在扫描中产生条纹伪影。这严重影响了扫描精度。低密度金属(如铝)会比铁质材料(如钢)更容易扫描。

简而言之,除非您的扫描对象身材小巧、全塑料材质或是低密度金属零件,否则您就得花数小时的时间来处理扫描,专门用来去除伪影,试图复原扫描对象的实际测量值,也可能由于零件尺寸或材料密度的原因,根本无法扫描对象。

接触式测量(CMM机器)

众所周知,三坐标测量机(CMM)能为检测和逆向工程提供极高的精度。它们采用预编程或由操作员控制的探头来记录物体表面的XYZ坐标值,一步步为物体几何构建三维形象。

两位工程师正使用CMM机检测机械部件

在有效合理使用的情况下,CMM机是一项成本不菲、功能强大的解决方案,能捕获许多不同大小和材料的物体。

大多数CMM机都非常笨重,通常固定在某处,很难移动至仓库或公司的其他地方。这也意味着,您无法前往客户所在地为其扫描,如果便携式CMM机精度不够,需要大型CMM机来凑的时候,您也不能带着它搭国际航班。另外,CMM设备的操作人员需要接受一定培训,还要花大量时间来安装设置、重新编程,而且设备会因意外的踢打、碰撞和振动而大受影响,如果没有及时发现,很可能会毁掉整个测量项目。

要点:

CMM机的触发式探头直接接触物体表面,能确保采集的3D数据异常准确。但其缺陷就是:机器无法探测探头无法接触到的表面;对各种材料可能造成永久性的损害;数据采集速度低等等。

由于大多数常用CMM机探头都需要与被测物体反复接触,因此需要提醒一点,这样的操作存在损坏物品的潜在风险,而且可能出现不够准确的情况。很多材料都可能受到CMM机探头的损伤,例如划痕、刮痕以及污点。在处理昂贵或极为珍贵的物品时,例如博物馆、私人收藏品和其他高价品,这类风险是绝对不能接受的。

就精度而言,在接触橡胶或硅胶等软表面时,探头很容易使物体变形,即便没有造成损坏,也会导致测量不准确。更麻烦的是,如果测量物体有凹面或其他难以接触的部分,CMM探头无法靠近,无法进行充分的接触,那么就必须通过CAD手动重建,这也会在一定程度上引入误差。

三维扫描

对于全世界成千上万的用户来说,专业桌面式、手持式和三脚架式三维扫描仪都是逆向工程等应用的好选择。CT扫描仪和CMM机的特点是价格高,笨重难移动,而且学习曲线陡峭,而优秀的三维扫描仪则完全相反。

结构光扫描

结构光三维扫描仪首先对扫描物体表面发射闪烁的光线。光线反射到扫描仪传感器上,检测出因物体结构变化造成的光线扭曲,并在扫描仪软件中转化为数字形象。这种数字复制品,以三维多边形网格形式呈现,可用来创建逆向制作物体的CAD模型。

Artec Leo对沃尔沃XC90底盘进行三维扫描,对SUV的排气系统进行逆向工程。

结构光三维扫描仪的主要优势之一就是捕获速度。与CMM机或摄影测量法相比,最新专业结构光三维扫描仪甚至可以在短短几分钟内捕获大型物体,精度达到亚毫米级,而且无需接触。用光束扫过扫描物体时,不同扫描仪捕获速度不同,约为每秒100万到300万点。

Artec Studio处理沃尔沃XC90底盘扫描

使用结构光三维扫描仪,还能在笔记本电脑或扫描仪屏幕上即刻看到已经捕获的物体区域,以及正在扫描的面积。如果错过某个点,只需再挥动一两下扫描仪就能顺利弥补。

最后,结构光三维扫描仪使用绝对安全,不仅操作人员安全,围观人员和被扫描人员也同样安全。这就是为什么结构光三维扫描仪在医疗领域被广泛接受的原因。

激光扫描仪捕获大型物体或完整场景

三脚架三维激光(LiDAR)扫描仪能分为两类:飞行时间与相位式扫描仪。飞行时间型(ToF)扫描仪将激光射向室内或室外的物体与场景,然后测量光线反射到扫描仪传感器所需的时间,以此来计算扫描仪与物体间的精确距离。感应器还会检测反射光强度。

而相位扫描仪周期式发射激光脉冲。激光脉冲反射至扫描仪传感器,通过特殊的处理算法测算相位延迟,以计算扫描仪与物体/场景间的精确距离。

用三脚架支撑Artec Ray,对近海船舶的甲板进行三维扫描。

根据接收的数据,以高分辨率点云的形式为物体或区域进行数字渲染。扫描软件可以将这些点云转化为多边形网格。随后,这些网格可用于各种用途,包括生成逆向工程CAD模型、进行虚拟飞行浏览、构建平面图等。

激光远距三维扫描仪可以轻松捕获大型和巨型物体与场景,且精准度令人惊叹。工作距离支持1米到100多米,像这类优秀的扫描仪已经开始为汽车、喷气式飞机、超级游艇,甚至整个工厂车间制作计量级3D模型。

利用强大的三维扫描软件,远程激光扫描仪捕获的数据可以与手持式三维扫描仪的数据轻松合并,来制作一个包含物体或场景所有几何与表面的完整3D模型。比如,使用远距离激光扫描仪捕获飞机完整结构,再使用手持式三维扫描仪采集驾驶舱和机舱的仪表盘与其他精密细节,从而实现现代客机的逆向工程。

操作简单,无限可能

远距激光、桌面式和手持式结构光三维扫描仪操作十分方便,即使是学生也能在短短几小时内学会如何捕获各类尺寸的物体。扫描仪便于携带,因此适合室内外使用,也方便前往客户所在地。

与CT扫描仪和CMM机所需的工作时间相比,桌面式和手持式三维扫描仪捕获同样的物体,只需要很短的时间,从而大幅降低操作人员的疲劳程度,提高生产力。三脚架激光扫描仪甚至可以解放双手。您只需将三脚架放在合适的扫描位置,然后启动扫描程序。

要点:

对于绝大多数逆向工程项目而言,优秀的三维扫描仪速度快、使用安全且方便,精度达亚毫米级,能应对从小到大的各类物体。

根据扫描物体或区域的特点,可根据需要重复操作,实现表面全覆盖,包括凹面和组件。

综上所述,涉及到逆向工程时,无论是一枚钻戒还是重型机械、飞机、建筑物等巨型物体,专业的桌面式、手持式和远程三维激光扫描仪都是成熟的解决方案,让您出色完成任务。

逆向工程中的三维扫描:应用场景

首先,我们通过三个案例(汽车定制、农业设备、高性能自行车设计),来了解不同行业如何利用三维扫描进行逆向工程。

West Coast Customs

这是一家位于加州的世界知名汽车定制店,每当他们需要重新制作老旧零件,或为其新一轮设计项目提供独特的挡泥板、格栅、前照灯、车身或其他零件时,他们都会配合Geomagic Design X和SOLIDWORKS软件,使用专业手持式三维扫描仪。

West Coast Customs设计师用Artec Eva扫描Polaris Slingshot

过去,他们依靠卷尺和卡尺完成测量工作,经常需要反复测量。和漫长的手动操作过程相比,新方法有了质的飞跃,许多汽车零件很难通过这样的线性方法进行准确测量,而优秀的三维扫描仪甚至可以轻而易举地采集最复杂的表面与几何。

有了操作简单的扫描仪,West Coast Customs可以在短短几分钟内捕获他们要定制的任何部件或物体,精度高达 0.1 毫米。之后,他们将扫描结果导出至CAD系统,当天即可设计修改。根据这些"数字蓝图",他们可以3D打印或数控加工任何需要的部件。

Taylor Attachments

传统农机设备客户多年来一直在联系这家英国定制替代头架的设计者与生产商。这些支架可安装在各种农用机械上,比如反铲、草叉、锯子、刺捆机等。几年前,Taylor的专家需要7-12个小时,才能对每件传统设备进行逆向工程,通过笔、纸、直尺和卡尺等进行手工测量,在纸和纸板上艰难地描画出测量结果,然后制作几个原型进行测试和修改。

Taylor Attachments使用Artec Eva扫描支架

但这样的方式,每个部件都需要2-3周才能完成,而且制作过程充满了不确定性,需要反复微调。但现在,他们的工艺流大不一样。 短短20分钟,他们就能用手持式三维扫描仪Artec Eva对整个支架完成高分辨率三维扫描。再用Artec Studio软件处理20分钟,就能得到一个完美的3D模型。随后,3D模型可导出至SOLIDWORKS,进行最后的润色,然后将CAD模型发送给合作商进行激光切割。

Taylor Attachments的替换装载机支架等待安装

最后不到24小时,就从头到尾精准完成了所有任务。与传统方式相比,他们节省了几天甚至几周的时间,更不用说那些数不清的困难与挫折了。

Vorteq WX-R高性能场地车

这家英国体育研发公司打算制造地球上速度最快的场地车,从那一刻起,他们就知道这一目标的实现离不开三维扫描仪。刚开始,Vorteq的工程师通过手持式三维扫描仪逆向设计了一系列专业骑手的自行车,每辆自行车的捕获时间不到一分钟。

Artec Leo在风洞中对骑手和自行车进行三维扫描

随后,这些亚毫米级的三维扫描被转化为3D模型,并在公司的CFD(计算流体动力学)系统中进行分析,研究每辆自行车的空气动力阻力。之后,工程师们对3D模型进行结构调整,尽可能提高它们的性能。之后,根据所有自行车,总结出最佳结构,并将这些结构汇总到一辆车上。

Vorteq WX-R场地车(Vorteq供图)

尽管Vorteq公司工程师有丰富的计量工具使用经验,但他们还是将手持式三维扫描仪作为日常工作的首选解决方案。对于WX-R自行车项目而言,他们明白,想用卷尺和标尺精准测量专业赛车的复杂表面和零件,将耗费好几个小时,还要不断反复核查。

三维扫描仪参与逆向工程后,他们及时完成了项目,几周后,第一批WX-R场地车就出厂看。下一站目标:奥运会!

逆向工程中的三维扫描:工艺流

虽然具体工艺流因公司而异,但三维扫描仪进行逆向工程的工艺流大致如下:

准备扫描物体

如果扫描物体有透明或反光部分,可能需要在扫描前为物体使用颗粒精细的消光喷雾。这步操作能提高精确度,还能大幅减少扫描处理时间。根据项目周期,您可以选择几小时后自然挥发、不留任何痕迹的喷雾,也能选择可洗喷雾,用于时间跨度长的项目,之后再手洗清洁。

即将用Artec Eva扫描的Superformance GT40高反光车头

现在还要确定扫描物体的位置。较小的物体可能要放在旋转台上,或者如果使用桌面式三维扫描仪,就要将物体放在扫描平台上,也能使用Blu Tack等粘性材料。此外还要确保扫描时有足够的空间让您走动,除非使用的是无线手持式扫描仪,没有电缆或其他设备限制您的行动。

捕获大型和超大型物体可能需要远距激光扫描仪。这种情况下,最重要的是将扫描仪放置在合适的位置上,便于捕获物体或区域。确保扫描仪移动后的位置同样合理,扫描数据能有足够的重叠,覆盖全面。在操作现场,对于因有凹面或遮挡而没有完全捕获的物体及场景,可以通过扫描软件查看扫描结果,及时发现并补救。

开始三维扫描

捕获物体的时间可能只要几秒,也可能一小时或更久,这取决于三维扫描仪的能力以及扫描物体的尺寸和复杂程度。需要指出的是,一台扫描仪不可能胜任所有逆向工程任务。

例如,手持式三维扫描仪可以捕获一套传家的珠宝,特别是亚毫米级精度的扫描仪,但如果您有很多这样的珠宝,还要定期扫描,怎么办呢?更好的办法就是使用桌面式自动三维扫描仪,专为小型物体捕获而设计。

调试Artec Micro桌面式三维扫描仪,准备扫描。

同样,如果打算对汽车车身或摩托车进行逆向工程,您会希望能有一台扫描范围更广、捕获速度更快的三维扫描仪,可以轻松移动,而且没有电线或其他设备的羁绊。

先扫描物体的某一面,确保已捕获所有表面,再根据需要变换物体位置,重复该过程,直到完成各个角度的捕获。

如需扫描大型或超大型物体,如房车、挖掘机,甚至是上文提到的空客A380-800客机,那么就该考虑远程激光扫描仪。

扫描处理、CAD设计、增材制造

三维扫描仪完整捕获物体或场景后,点击几下鼠标,选择相应工具,即可获得一个干净、精准的多边形网格,可用于下一道工序。很快,就能将三维扫描数据逆向制作为CAD模型了。

由Artec Leo扫描制作而成的Dallara F399/01跑车CAD模型

如果扫描软件支持扫描到CAD,您可以对3D模型进行精准定位,进行CAD基元拟合。这些都是可以兼容CAD的几何形状,能匹配3D模型的测量值和几何。提前对3D模型进行基元拟合,CAD设计时就能差不多跳过这一步。

CAD设计

扫描处理完成后,可将3D模型导出到逆向工程CAD程序中,如Geomagic Design X或Geomagic for SOLIDWORKS。在这一阶段,您将基于3D模型完成CAD模型的绘制。如果已经完成了CAD基元拟合,可以直接将文件以CAD对象的形式导出至逆向工程软件。

在Geomagic Design X软件中为沃尔沃XC90逆向制作全新尾气系统

在CAD系统中,您可以分析现有模型,并根据需求进行定制,改动幅度可大可小。比如检测原物体中是否存在不对称、畸形或其他不易察觉的反常情况(之前或许还未发现!),然后修改CAD模型来解决这些问题。当然也可以新增功能,设计也能被放大或缩小,也能对形状和体积进行调整。

要点:

有了CAD软件,您就可以按照想要的方式对物体3D模型进行定制化设计,还能在虚拟环境下测试全新设计,为投产制造做好必要准备。

如需要,您也可以将CAD模型导入计算流体力学或有限元分析系统,在各种条件或压力下测试模型,然后决定对实物设计或材料进行何种改动,以实现最优性能,同时不超过既定公差范围。

设计完成后,CAD模型已经可以真正问世了,您可以选择各种制造技术。这些技术包括传统铸造和成型工艺、数控铣削和机械加工、增材制造,也就是3D打印或快速成型技术。

逆向工程的合法问题

毫无疑问,专业三维扫描仪能简化复杂物体的逆向工程,但仍有几点建议需引起注意。首先,如果逆向制作的产品有商标或专利,即便使用了不同的复合材料、金属或增材制造工艺,您也不能复制并销售相同的零件或物体。当然,操作层面上来说,完全不成问题,但要做好准备,您会收到制造商律师团队多次来电。

要点:

进行逆向工程项目之前,为了自己(和公司)的权益,建议仔细分析项目可能带来的法律后果。

现代知识产权(IP)法涉及设计专利、商业机密、版权、商标等方面。对一个设计进行逆向工程,或借助三维扫描仪进行,本身并不违反这些法律。但是,之后对设计如何处理,则可能触犯法律。专家一致认为,若想远离纠纷,那么最好能对原始设计进行修改,而且修改幅度越大越好,特别是在打算将设计用于商业目的而非个人用途的情况下。

在实际逆向工程中,我们可以轻松制作出多个原型设计,然后评估下一步计划。为安全起见,请确保您修改后的设计完全不在原始制造商(OEM)的知识产权范围内,且毫无争议。优秀的三维扫描和CAD解决方案拥有大量不同功能,您完全可以办到。

Tekk Consulting 使用Artec Eva为Brad DeBerti的《The Performance Truck》节目制作的数字渲染

总之,进行逆向工程项目之前,为了自己(和公司)的权益,建议仔细分析项目可能带来的法律后果。这样,您就能巧妙地制定一个计划,对某个或多个部件、机械设备进行逆向工程,然后高效合法地将CAD数据用于项目实施。

结论

随着时间的推移,越来越多的公司和组织开始采用三维扫描仪来满足逆向工程需求。虽然有多款替代工具,但三维扫描已被证明是集准确、快速、方便和经济于一身的明智之选。

要逆向制作停产断货的小型部件,还要求精度高达1毫米,或者逆向制作真实大小的汽车、休闲车,甚至是整个飞机库?总有一款不超预算的三维扫描仪能帮您快速轻松地完成任务。

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