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            什么是逆向工程

            概要 

              逆向工程是指將實體部件拆解并測量的過程,目的是要了解部件的設計、工作原理、制造方式。逆向工程的對象可以是任何物體,巨型航空母艦或建筑結構,也可以是瑞士手表上的一組微型聯鎖齒輪。

              為何使用逆向工程?

              分析優化產品設計、制作替換部件、設計新產品

              如何采集數據?

              使用三維掃描儀、CT掃描儀,或三坐標測量機

              逆向工程的用戶有哪些?

              汽車定制專家、產品設計師、研究人員(醫療、工業)等

             

            簡介

              傳統的設計工作流程是"從無到有",從零開始創造一件產品。而在逆向工程中,我們從一個現成的機器或部件開始,倒推流程,直接或采用間接的數字方式,一步一步,對每個部件或層次進行拆解。

              逆向工程的目的通常是要創建可操作的三維CAD模型,如果進展順利,逆向工程可以提供設計信息,助您實現以下目標:

              ● 通過快速成型制造技術等方式,對傳統設備和部件進行再創造

              ● 對零件和機器進行故障分析,并根據需要重新設計

              ● 深入分析競品優缺點

              ● 為缺貨、成本昂貴或等待周期較長的部件輕松制作復制品

              ● 優化現有部件和系統的性能

              ● 根據設計信息,研發全新產品

              ● 等等

             

            逆向工程的數據采集

              Artec Eva為退役建筑機械的圓形組件進行三維掃描。三維掃描之后被導出至Geomagic Design X逆向工程軟件中,并作為制作實體模型的參考,制造替換零件。

              在逆向工程領域,盡管偶爾也會采用其他數據采集方法,但無論是手動還是數字化方式,到目前為止,流行的是三維掃描、CMM機器和CT掃描這三種方式。每種方法各有千秋,如何選擇主要取決于您的應用場景、預算、技術使用經驗和項目周期。

             

            Artec Eva掃描儀制作的圓形組件3D網格模型

            圓形組件CAD模型,可用于逆向工作

             

            CT掃描

              CT掃描是捕獲物體內外部測量值的有效方式,通常被認為是醫療診斷的可靠工具。但是,在特定環境和應用中,CT掃描也是逆向工程的可行方案。CT掃描儀發射X射線穿過物體,大多不受視線的影響,可以捕捉內部特征、孔洞和空隙。 CT掃描儀通常發射X射線錐體,或X射線切片,然后將許多不同層次的數據組合成一個完整的3D模型。

            EasyTom工業級CT掃描儀,CyberOptics Corporation供圖

              但CT掃描儀并非沒有缺點。由于CT掃描利用輻射穿透被掃描的物體,所以,要捕獲的物體需要能放入CT掃描儀的掃描架內,掃描架被牢牢密封起來,防止輻射泄漏,傷害操作人員。正因如此,CT掃描不適合大多數大中型物體。

              要點:

              雖然CT掃描儀的優勢在于能夠同時捕獲物體的內外表面,但目前這種技術只適用于一小部分工業品。

              一臺可靠的CT設備價格可高達25萬美元以上。除了價格不菲外,操作人員還需要經過專門的培訓。CT掃描儀在掃描金屬物體,甚至只是帶有金屬部件的物體時,還會偶爾出現缺陷。這是因為金屬會吸收和發散X射線,當X射線照射到金屬部件或部分表面時,會在掃描中產生條紋偽影。這嚴重影響了掃描精度。低密度金屬(如鋁)會比鐵質材料(如鋼)更容易掃描。

              簡而言之,除非您的掃描對象身材小巧、全塑料材質或是低密度金屬零件,否則您就得花數小時的時間來處理掃描,專門用來去除偽影,試圖復原掃描對象的實際測量值,也可能由于零件尺寸或材料密度的原因,根本無法掃描對象。

             

            接觸式測量(CMM機器)

              眾所周知,三坐標測量機(CMM)能為檢測和逆向工程提供高的精度。它們采用預編程或由操作員控制的探頭來記錄物體表面的XYZ坐標值,一步步為物體幾何構建三維形象。

            兩位工程師正使用CMM機檢測機械部件

              在有效合理使用的情況下,CMM機是一項成本不菲、功能強大的解決方案,能捕獲許多不同大小和材料的物體。

              大多數CMM機都非常笨重,通常固定在某處,很難移動至倉庫或公司的其他地方。這也意味著,您無法前往客戶所在地為其掃描,如果便攜式CMM機精度不夠,需要大型CMM機來湊的時候,您也不能帶著它搭國際航班。另外,CMM設備的操作人員需要接受一定培訓,還要花大量時間來安裝設置、重新編程,而且設備會因意外的踢打、碰撞和振動而大受影響,如果沒有及時發現,很可能會毀掉整個測量項目。

              要點:

              CMM機的觸發式探頭直接接觸物體表面,能確保采集的3D數據異常準確。但其缺陷就是:機器無法探測探頭無法接觸到的表面;對各種材料可能造成永久性的損害;數據采集速度低等等。

              由于大多數常用CMM機探頭都需要與被測物體反復接觸,因此需要提醒一點,這樣的操作存在損壞物品的潛在風險,而且可能出現不夠準確的情況。很多材料都可能受到CMM機探頭的損傷,例如劃痕、刮痕以及污點。在處理昂貴或珍貴的物品時,例如博物館、私人收藏品和其他高價品,這類風險是絕對不能接受的。

              就精度而言,在接觸橡膠或硅膠等軟表面時,探頭很容易使物體變形,即便沒有造成損壞,也會導致測量不準確。更麻煩的是,如果測量物體有凹面或其他難以接觸的部分,CMM探頭無法靠近,無法進行充分的接觸,那么就必須通過CAD手動重建,這也會在一定程度上引入誤差。

             

            三維掃描

              對于全世界成千上萬的用戶來說,專業桌面式、手持式和三腳架式三維掃描儀都是逆向工程等應用的好選擇。CT掃描儀和CMM機的特點是價格高,笨重難移動,而且學習曲線陡峭,而優秀的三維掃描儀則完全相反。

             

            結構光掃描

              結構光三維掃描儀首先對掃描物體表面發射閃爍的光線。光線反射到掃描儀傳感器上,檢測出因物體結構變化造成的光線扭曲,并在掃描儀軟件中轉化為數字形象。這種數字復制品,以三維多邊形網格形式呈現,可用來創建逆向制作物體的CAD模型。

            Artec Leo對沃爾沃XC90底盤進行三維掃描,對SUV的排氣系統進行逆向工程。

              結構光三維掃描儀的主要優勢之一就是捕獲速度。與CMM機或攝影測量法相比,專業結構光三維掃描儀甚至可以在短短幾分鐘內捕獲大型物體,精度達到亞毫米級,而且無需接觸。用光束掃過掃描物體時,不同掃描儀捕獲速度不同,約為每秒100萬到300萬點。

            Artec Studio處理沃爾沃XC90底盤掃描

              使用結構光三維掃描儀,還能在筆記本電腦或掃描儀屏幕上即刻看到已經捕獲的物體區域,以及正在掃描的面積。如果錯過某個點,只需再揮動一兩下掃描儀就能順利彌補。

              結構光三維掃描儀使用安全,不僅操作人員安全,圍觀人員和被掃描人員也同樣安全。這就是為什么結構光三維掃描儀在醫療領域被廣泛接受的原因。

             

            激光掃描儀捕獲大型物體或完整場景

              三腳架三維激光(LiDAR)掃描儀能分為兩類:飛行時間與相位式掃描儀。飛行時間型(ToF)掃描儀將激光射向室內或室外的物體與場景,然后測量光線反射到掃描儀傳感器所需的時間,以此來計算掃描儀與物體間的精確距離。感應器還會檢測反射光強度。

              而相位掃描儀周期式發射激光脈沖。激光脈沖反射至掃描儀傳感器,通過特殊的處理算法測算相位延遲,以計算掃描儀與物體/場景間的精確距離。

            用三腳架支撐Artec Ray,對近海船舶的甲板進行三維掃描。

              根據接收的數據,以高分辨率點云的形式為物體或區域進行數字渲染。掃描軟件可以將這些點云轉化為多邊形網格。隨后,這些網格可用于各種用途,包括生成逆向工程CAD模型、進行虛擬飛行瀏覽、構建平面圖等。

              激光遠距三維掃描儀可以輕松捕獲大型和巨型物體與場景,且精準度令人驚嘆。工作距離支持1米到100多米,像這類優秀的掃描儀已經開始為汽車、噴氣式飛機、超級游艇,甚至整個工廠車間制作計量級3D模型。

              利用強大的三維掃描軟件,遠程激光掃描儀捕獲的數據可以與手持式三維掃描儀的數據輕松合并,來制作一個包含物體或場景所有幾何與表面的完整3D模型。比如,使用遠距離激光掃描儀捕獲飛機完整結構,再使用手持式三維掃描儀采集駕駛艙和機艙的儀表盤與其他精密細節,從而實現現代客機的逆向工程。

             

            操作簡單,無限可能

              遠距激光、桌面式和手持式結構光三維掃描儀操作十分方便,即使是學生也能在短短幾小時內學會如何捕獲各類尺寸的物體。掃描儀便于攜帶,因此適合室內外使用,也方便前往客戶所在地。

              與CT掃描儀和CMM機所需的工作時間相比,桌面式和手持式三維掃描儀捕獲同樣的物體,只需要很短的時間,從而大幅降低操作人員的疲勞程度,提高生產力。三腳架激光掃描儀甚至可以解放雙手。您只需將三腳架放在合適的掃描位置,然后啟動掃描程序。

              要點:

              對于絕大多數逆向工程項目而言,優秀的三維掃描儀速度快、使用安全且方便,精度達亞毫米級,能應對從小到大的各類物體。

              根據掃描物體或區域的特點,可根據需要重復操作,實現表面全覆蓋,包括凹面和組件。

              綜上所述,涉及到逆向工程時,無論是一枚鉆戒還是重型機械、飛機、建筑物等巨型物體,專業的桌面式、手持式和遠程三維激光掃描儀都是成熟的解決方案,讓您出色完成任務。

             

            逆向工程中的三維掃描:應用場景

              首先,我們通過三個案例(汽車定制、農業設備、高性能自行車設計),來了解不同行業如何利用三維掃描進行逆向工程。

             

            West Coast Customs

              這是一家位于加州的世界知名汽車定制店,每當他們需要重新制作老舊零件,或為其新一輪設計項目提供獨特的擋泥板、格柵、前照燈、車身或其他零件時,他們都會配合Geomagic Design X和SOLIDWORKS軟件,使用專業手持式三維掃描儀。

            West Coast Customs設計師用Artec Eva掃描Polaris Slingshot

              過去,他們依靠卷尺和卡尺完成測量工作,經常需要反復測量。和漫長的手動操作過程相比,新方法有了質的飛躍,許多汽車零件很難通過這樣的線性方法進行準確測量,而優秀的三維掃描儀甚至可以輕而易舉地采集復雜的表面與幾何。

              有了操作簡單的掃描儀,West Coast Customs可以在短短幾分鐘內捕獲他們要定制的任何部件或物體,精度高達 0.1 毫米。之后,他們將掃描結果導出至CAD系統,當天即可設計修改。根據這些"數字藍圖",他們可以3D打印或數控加工任何需要的部件。

             

            Taylor Attachments

              傳統農機設備客戶多年來一直在聯系這家英國定制替代頭架的設計者與生產商。這些支架可安裝在各種農用機械上,比如反鏟、草叉、鋸子、刺捆機等。幾年前,Taylor的專家需要7-12個小時,才能對每件傳統設備進行逆向工程,通過筆、紙、直尺和卡尺等進行手工測量,在紙和紙板上艱難地描畫出測量結果,然后制作幾個原型進行測試和修改。

            Taylor Attachments使用Artec Eva掃描支架

              但這樣的方式,每個部件都需要2-3周才能完成,而且制作過程充滿了不確定性,需要反復微調。但現在,他們的工藝流大不一樣。 短短20分鐘,他們就能用手持式三維掃描儀Artec Eva對整個支架完成高分辨率三維掃描。再用Artec Studio軟件處理20分鐘,就能得到一個完美的3D模型。隨后,3D模型可導出至SOLIDWORKS,進行最后的潤色,然后將CAD模型發送給合作商進行激光切割。

            Taylor Attachments的替換裝載機支架等待安裝

              最后不到24小時,就從頭到尾精準完成了所有任務。與傳統方式相比,他們節省了幾天甚至幾周的時間,更不用說那些數不清的困難與挫折了。

             

            Vorteq WX-R高性能場地車

              這家英國體育研發公司打算制造地球上速度快的場地車,從那一刻起,他們就知道這一目標的實現離不開三維掃描儀。剛開始,Vorteq的工程師通過手持式三維掃描儀逆向設計了一系列專業騎手的自行車,每輛自行車的捕獲時間不到一分鐘。

            Artec Leo在風洞中對騎手和自行車進行三維掃描

              隨后,這些亞毫米級的三維掃描被轉化為3D模型,并在公司的CFD(計算流體動力學)系統中進行分析,研究每輛自行車的空氣動力阻力。之后,工程師們對3D模型進行結構調整,盡可能提高它們的性能。之后,根據所有自行車,總結出結構,并將這些結構匯總到一輛車上。

            Vorteq WX-R場地車(Vorteq供圖)

              盡管Vorteq公司工程師有豐富的計量工具使用經驗,但他們還是將手持式三維掃描儀作為日常工作的首選解決方案。對于WX-R自行車項目而言,他們明白,想用卷尺和標尺精準測量專業賽車的復雜表面和零件,將耗費好幾個小時,還要不斷反復核查。

              三維掃描儀參與逆向工程后,他們及時完成了項目,幾周后,第一批WX-R場地車就出廠看。下一站目標:奧運會!

             

            逆向工程中的三維掃描:工藝流

              雖然具體工藝流因公司而異,但三維掃描儀進行逆向工程的工藝流大致如下:

             

            準備掃描物體

              如果掃描物體有透明或反光部分,可能需要在掃描前為物體使用顆粒精細的消光噴霧。這步操作能提高精確度,還能大幅減少掃描處理時間。根據項目周期,您可以選擇幾小時后自然揮發、不留任何痕跡的噴霧,也能選擇可洗噴霧,用于時間跨度長的項目,之后再手洗清潔。

            即將用Artec Eva掃描的Superformance GT40高反光車頭

              現在還要確定掃描物體的位置。較小的物體可能要放在旋轉臺上,或者如果使用桌面式三維掃描儀,就要將物體放在掃描平臺上,也能使用Blu Tack等粘性材料。此外還要確保掃描時有足夠的空間讓您走動,除非使用的是無線手持式掃描儀,沒有電纜或其他設備限制您的行動。

              捕獲大型和超大型物體可能需要遠距激光掃描儀。這種情況下,重要的是將掃描儀放置在合適的位置上,便于捕獲物體或區域。確保掃描儀移動后的位置同樣合理,掃描數據能有足夠的重疊,覆蓋全面。在操作現場,對于因有凹面或遮擋而沒有完全捕獲的物體及場景,可以通過掃描軟件查看掃描結果,及時發現并補救。

             

            開始三維掃描

              捕獲物體的時間可能只要幾秒,也可能一小時或更久,這取決于三維掃描儀的能力以及掃描物體的尺寸和復雜程度。需要指出的是,一臺掃描儀不可能勝任所有逆向工程任務。

              例如,手持式三維掃描儀可以捕獲一套傳家的珠寶,特別是亞毫米級精度的掃描儀,但如果您有很多這樣的珠寶,還要定期掃描,怎么辦呢?更好的辦法就是使用桌面式自動三維掃描儀,專為小型物體捕獲而設計。

            調試Artec Micro桌面式三維掃描儀,準備掃描。

              同樣,如果打算對汽車車身或摩托車進行逆向工程,您會希望能有一臺掃描范圍更廣、捕獲速度更快的三維掃描儀,可以輕松移動,而且沒有電線或其他設備的羈絆。

              先掃描物體的某一面,確保已捕獲所有表面,再根據需要變換物體位置,重復該過程,直到完成各個角度的捕獲。

              如需掃描大型或超大型物體,如房車、挖掘機,甚至是上文提到的空客A380-800客機,那么就該考慮遠程激光掃描儀。

             

            掃描處理、CAD設計、增材制造

              三維掃描儀完整捕獲物體或場景后,點擊幾下鼠標,選擇相應工具,即可獲得一個干凈、精準的多邊形網格,可用于下一道工序。很快,就能將三維掃描數據逆向制作為CAD模型了。

            由Artec Leo掃描制作而成的Dallara F399/01跑車CAD模型

              如果掃描軟件支持掃描到CAD,您可以對3D模型進行精準定位,進行CAD基元擬合。這些都是可以兼容CAD的幾何形狀,能匹配3D模型的測量值和幾何。提前對3D模型進行基元擬合,CAD設計時就能差不多跳過這一步。

             

            CAD設計

              掃描處理完成后,可將3D模型導出到逆向工程CAD程序中,如Geomagic Design X或Geomagic for SOLIDWORKS。在這一階段,您將基于3D模型完成CAD模型的繪制。如果已經完成了CAD基元擬合,可以直接將文件以CAD對象的形式導出至逆向工程軟件。

            在Geomagic Design X軟件中為沃爾沃XC90逆向制作全新尾氣系統

              在CAD系統中,您可以分析現有模型,并根據需求進行定制,改動幅度可大可小。比如檢測原物體中是否存在不對稱、畸形或其他不易察覺的反常情況(之前或許還未發現?。?,然后修改CAD模型來解決這些問題。當然也可以新增功能,設計也能被放大或縮小,也能對形狀和體積進行調整。

              要點:

              有了CAD軟件,您就可以按照想要的方式對物體3D模型進行定制化設計,還能在虛擬環境下測試全新設計,為投產制造做好必要準備。

              如需要,您也可以將CAD模型導入計算流體力學或有限元分析系統,在各種條件或壓力下測試模型,然后決定對實物設計或材料進行何種改動,以實現好的性能,同時不超過既定公差范圍。

              設計完成后,CAD模型已經可以真正問世了,您可以選擇各種制造技術。這些技術包括傳統鑄造和成型工藝、數控銑削和機械加工、增材制造,也就是3D打印或快速成型技術。

             

            逆向工程的合法問題

              毫無疑問,專業三維掃描儀能簡化復雜物體的逆向工程,但仍有幾點建議需引起注意。首先,如果逆向制作的產品有商標或專利,即便使用了不同的復合材料、金屬或增材制造工藝,您也不能復制并銷售相同的零件或物體。當然,操作層面上來說,完全不成問題,但要做好準備,您會收到制造商律師團隊多次來電。

              要點:

              進行逆向工程項目之前,為了自己(和公司)的權益,建議仔細分析項目可能帶來的法律后果。

              現代知識產權(IP)法涉及設計專利、商業機密、版權、商標等方面。對一個設計進行逆向工程,或借助三維掃描儀進行,本身并不違反這些法律。但是,之后對設計如何處理,則可能觸犯法律。專家一致認為,若想遠離糾紛,那么最好能對原始設計進行修改,而且修改幅度越大越好,特別是在打算將設計用于商業目的而非個人用途的情況下。

              在實際逆向工程中,我們可以輕松制作出多個原型設計,然后評估下一步計劃。為安全起見,請確保您修改后的設計完全不在原始制造商(OEM)的知識產權范圍內,且毫無爭議。優秀的三維掃描和CAD解決方案擁有大量不同功能,您完全可以辦到。

             

            Tekk Consulting 使用Artec Eva為Brad DeBerti的《The Performance Truck》節目制作的數字渲染

              總之,進行逆向工程項目之前,為了自己(和公司)的權益,建議仔細分析項目可能帶來的法律后果。這樣,您就能巧妙地制定一個計劃,對某個或多個部件、機械設備進行逆向工程,然后高效合法地將CAD數據用于項目實施。


            結論

              隨著時間的推移,越來越多的公司和組織開始采用三維掃描儀來滿足逆向工程需求。雖然有多款替代工具,但三維掃描已被證明是集準確、快速、方便和經濟于一身的明智之選。

              要逆向制作停產斷貨的小型部件,還要求精度高達1毫米,或者逆向制作真實大小的汽車、休閑車,甚至是整個飛機庫?總有一款不超預算的三維掃描儀能幫您快速輕松地完成任務。

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