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本文论述了基于PDM的虚拟产品开发环境，介绍了在VPD环境中逆向设计的方法。阐述了样机分析在逆向设计中的数字样机建立的核心地位。论述了VPD环境中各种分析工具在样机分析中的作用和各软件数据之间的相互调用关系。
一、前言
加入WTO后，我国逐渐变为世界工厂，经济大国的地位进一步确立；但是，在世界范围的竞争力排名却逐渐下降。如何由一个经济大国转变为经济强国，制造业在国家的经济地位中起着举足轻重的作用。尽快提高产品自主开发与创新能力是我国制造业所面临的迫切需要解决重大问题。
日本在第二次世界大战结束时，国家经济几乎处于瘫痪状态，但在后来的30余年中却以惊人的速度一跃而为仅次于美国的世界第二号经济强国，其经济的高速度发展是与将"吸收性战略"作为坚定不移的国策分不开的。他们的口号是"第一台引进，第二台国产化，第三台出口"。据日本政府推算，成功的技术引进使日本节省了约2/3的研究时间和约9/10的研究费用[1]。由此可以看出：技术引进的关键是消化吸收。而如何进行消化吸收就是逆向设计所要研究的课题。
经济高度一体化的时代既给我们的逆向设计提出了严峻的挑战――知识保护更加严格；也给我们提供了更多的机遇――分享更多的成果、利用先进的计算机工具。
二、虚拟产品开发环境
信息时代的到来为机械制造业的发展提供了强大的支持，各种技术层出不穷，尤其是虚拟产品开发的应用极大地提高了产品开发的效率和质量。
2.1 虚拟产品开发的内涵
虚拟产品开发（Virtual Product Development，VPD）概念的提出不是近几年的事，笔者曾在1999年有幸参加了国家高技术研究发展计划（八六三计划）自动化领域CIMS主题，重大关键技术攻关项目"面向创新设计的虚拟产品开发"的研究和开发工作。VPD是虚拟制造的核心内容，"虚拟制造"是在高性能计算机及高速网络的支持下，采用计算机仿真与虚拟现实技术，以群组协同工作方式，为工程师们提供了从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境，在计算机上实现产品制造的本质过程，通过计算机虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，使得制造技术走出工业经济时代主要依赖于原材料物化的狭小天地，发展到基于信息、知识的全方位预报的新阶段。因此，虚拟制造是知识经济时代制造技术创新的重要标志[2]。
2.2 VPD环境工作模型
狭义的VPD基本等同于CAE（Computer Aided Engineering计算机辅助工程），包括：有限元、运动学、动力学、计算流体力学、热传导、公差分析、可装配性分析等工具。但作为较为完整的VPD环境来说，至少应包括：CAD、CAM、CAT等计算机辅助工具以及组织管理这些VPD工具和数据的平台――PDM。由于VPD工具的多样性和复杂性，任何人都无法掌握所有的VPD工具，这就需要PDM来组织协同；同时，到目前为止还没有一家软件供应商能够提供全套的VPD工具集，所以，VPD工具和PDM的集成大都采用封装的形式。有些学者提出了用特征、零件和装配三个层次的产品定义单元(PDU)构造产品设计模型[3]，较好地解决了现有产品模型语义信息缺乏的问题，并具有良好的一致性、可扩充性、可重用性。但到目前为止，还没有商品化的产品问世。所以在不同公司的软件中交换信息时，有时仍需要通过标准的接口。虽然有些公司在不同工具之间提供统一的平台或数据交互的接口软件，例如：MSC、赛特达等，但笔者认为目前对于大多数国内用户的VPD环境应为如图1所示的模型。
图1 VPD环境三层模型
该模型采用B/S结构的PDM作为数据、流程的协同管理模型，基于浏览器的用户界面减少了客户端的维护难度，在目前VPD还不太普及的情况下，为产、学、研提供了基于internet的统一协作平台。
三、逆向设计
逆向设计（Reverse Design）也称反求设计，有些学者称逆向工程（Reverse Engineering）。本文认为逆向工程的概念更大，逆向工程是针对消化吸收先进技术的系列分析方法和应用技术的组合[4]。逆向工程包括设计反求、工艺反求、制造反求等各个方面；而反求设计仅限于和产品设计有关的反求活动。
3.1 逆向设计的概念
逆向设计是以先进产品，设备的实物、软件(图纸、程序、技术文件)或影像(图片、照片等)作为研究对象，应用现代设计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统深入地分析和研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类的先进产品。逆向设计的目的是创新，在逆向设计基础上经改进、创新得到性能更优、价格更廉、更适合市场需要的新产品。经反求创新开发的产品继承了参考物中的精华，吸取了原产品的长处，开发出的产品技术比较成熟，避免了许多自行开发中不可避免的弯路。从而大大缩短了新产品开发的周期，降低了开发成本，为企业快速占领市场创造了有利条件，是新产品开发的有效途径[5]。
3.2 逆向设计的特点
逆向设计的方法是基于技术引进的发展策略应运而生的。逆向设计的关键就是反求分析。通过反求分析，对反求对象从功能、原理方案、零部件结构尺寸、材料性能和加工装配工艺等进行全面深入的了解，明确其关键功能和关键技术。然后在反求分析的基础上进行测绘仿制、变参数设计、适应型设计或开发型设计。
逆向设计的对象有下面几方面特征：
● 反求对象一般都是当前市场急需的产品，市场要求产品开发具有快速反应的能力。所以产品开发模式必须具备并行的能力。
● 从逆向设计到创新设计的过程中，经过反复修改，会有大量产品数据产生。需要很好的数据维护和设计过程的跟踪。
● 反求对象都是同类产品中比较领先而成功的、具有高附加值的产品，所以需要先进的反求手段。且工具之间要有高度的集成和数据的共享。
3.3 当前逆向设计中存在的主要问题〔6〕
通过上述对虚拟产品开发和逆向设计的分析，笔者发现近年来国内、国外在上述几方面取得了很大的成就，但是，这几项技术还没有进行很好的融合。目前还存在的一些问题。
首先，目前VPD技术在正向设计中得到了较为广泛的应用，尤其在发达国家中获得了极大的成功。而单纯的逆向设计技术不仅在我国而且在许多发达国家也都有广泛的应用。即使是处于该行业世界领先地位的公司，同样也要借鉴别人的经验。而VPD作为国际流行的设计手段，只是在逆向设计的某些局部方面得到了推广。
其次，在逆向设计中，人们过分的看重了的某些单项技术。以至于提起逆向设计，大多数人马上联想到的只是曲面反求技术。虽然知识产权的保护越来越严格，但相互学习、相互借鉴别人的技术一刻也没停止过。
最后，逆向设计中原始设计参数的还原一直是反求的理想，但在不少情况是不可能实现的，首先，加工和制造过程中误差的随机性，无论测量精度多高都无法排除；其次，有些零件本身就没有严格的设计参数，例：汽车、摩托车的覆盖件等；第三，有些机器是通过选配而装配成台，注重的是整体效应。第四，我们搞反求设计是为了开发出具有知识产权的新产品，关键是要摸清反求对象的设计机理，不一定要化大的力气去求原始设计参数。而要分析反求对象的设计机理不仅要有高深的专业知识，还要有先进的设计工具和工作流程。
四、VPD环境下的逆向设计方法〔6〕
VPD的快速发展为逆向设计的发展提供了强大的技术保证，同时，VPD环境中的逆向设计有其特殊性。
4.1 样机测绘与CAD建模
测绘人员通过PDM获取测绘的任务，包括对象、方法和工具等。测绘结果通过草图等介质，输出给CAD建模人员进行建模。CAD三维建模应该是产品数字化的开始，也是传统设计方式向虚拟产品开发模式转变的第一步。选择好的CAD建模工具可以大大减少后续分析、建模的工作量。为下游的各种分析、加工提供支持。同时，它也是产品工程图的直接来源。
CAD建模人员从样机分析信息库中获取建模内容、方法、工具等。如果只是参照原理，这需要包括从概念设计到具体的图纸生成。如果是一比一的仿照参考样机模型，那么，只要将测绘的草图输入CAD软件中，依照样机分析的精度等级加上公差即可。再将各零件按照样机分析的零部件划分标准，装配起来。形成相应的部件、甚至整机的CAD模型。该模型通过PDM为后续的各种分析提供基础模型。同时，后续的各种分析又要作用于该模型，对其进行修正、优化。
4.2 VPD环境下的逆向设计方法
图2 VPD中结构动力分析及修改
在CAD中建立的数字模型只是初级的数字样机，一般只具有几何外形，实物样机的大部分物理特性均没有，一般都要经过图2所示的流程反复迭代。由于逆向设计的特殊性，初始数字样机是通过测绘实物样机获得的，所以可把反求对象看作我们生产的第一台实物样机。基于这种认识，我们就可构造拟实的数字样机。在此数字样机中进行再设计、再分析，因此，分析结果基本可以预测修改以后未来实际样机的工作状态。
同时可知，样机分析是逆向设计的灵魂，而分析结果都要体现在CAD模型的改变上。
4.3 VPD环境中的样机分析
虽然原型产品本身能够满足设计要求，但在逆向设计过程中我们不必，也不应该完全仿制；而应在逆向设计的基础上，降低成本。达到或超过原样机的性能指标。样机分析主要是为搞清楚参照样机的设计原理、样机的工况，以及新产品的开发对策。广义上讲，通过样机分析，整个产品的开发步骤和方法也就基本确定了。如果把确定反求对象的过程比作产品规划的话，那么，样机分析相当于正向设计的方案设计，因此说样机分析的质量决定着新产品开发的成败。
由于我们的国情与发达国家不同。工业基础、劳动力成本、产品的使用对象等都有很大差异，这就必然要对仿造样机国产化。在对各种零部件进行国产化后，其各种性能必然发生变化。一味地加粗加大和提高精度，并不一定会改善机器的整体性能。有些情况反而适得其反。
VPD区别于传统的产品开发，主要是可以在样机生产之前发现机器未来运转中的不足，而实现这一功能的工具就是各种分析软件。利用VPD工具进行样机分析将会极大地提高设计的质量和效率。下面将一些常用的VPD工具在逆向设计中的应用作一简单介绍。
4.3.1可装配性分析
可装配性分析是在CAD环境中进行的。装配时，要严格按照拟实的状态进行仿真。例如：装配空间的约束、装配工具和装配夹具的调用、装配路径的规划等等，装配好以后还要对整机的装配模型基本尺寸的静态干涉检验。装配的过程实际是样机拆卸的逆过程，所以，实物样机拆卸的过程应全程记录。
4.3.2 零部件的公差分析与综合
公差等级的确定，既要满足产品精度要求、又是产品制造获得低成本的关键。因此，计算机辅助公差设计，实际上在起着保证产品设计功能得以实现的关键作用。国际上已有许多成功的软件包。
运动学分析中的灵敏度分析，可为机构的稳健设计提供有力的支持。灵敏度高的参数应该是公差等级较高的尺寸，同时，设计过程应该尽量避免灵敏度高的参数。
4.3.3 关键零件的有限元分析
由于在逆向设计时都要对原样机进行一定改动，包括结构、材料和大小等。对于一些受力比较大的零、部件，虽然原样机已做过有限元分析，且经过了实践的检验，但改动后是否满足设计要求？用商品化的有限元分析软件进行分析是比较简单而快捷的办法。
有限元分析师首先从样机分析中获得需要分析的零部件名称，再从PDM中的CAD模型中找到相应的零部件。依据样机分析结果和装配关系确定零部件约束条件。对于高速运动的零部件，外载荷的关键是其动载荷的大小。动载荷的获取一般有两种方式：一是通过手工计算或纪录到样机分析数据库中的动力学分析结果；二是采用有限元、运动学、动力学软件和CAD软件高度集成的方案，将动力学分析结果直接传入FEA中。
4.3.4 关键机构的运动学分析
在逆向设计中，对于某些部件的复杂机构（例如：连杆机构、凸轮机构、行星轮系等）的设计机理，用传统方法很难分析；而利用运动学分析软件进行分析，既省事又准确。
4.3.5 关键机构的动力学分析
动力学建模更多的关注于施加的力和构件的质量特性。因此，在动力学建摸前，进行刚体简化的时候，应以不改变构件的质量特性为原则。
为了减小机构在机座上的振动，以与机座关联的运动副反力作为优化目标，以配重块的尺寸为优化对象。目标是消除或部分消除摆动力和摆动力矩。从而减轻由机座引起的整机振动。
为解决机构中某些动力副中，由惯性力引起的动压过大的问题。可进行运动副中动压力的平衡。一种是通过增加配重，不得已的情况下，还可以通过机构的合理布局或设置附加机构的方法来平衡。
为降低驱动机构输入运动的波动，需要进行机构输入转矩的平衡。首先要尽量减小往返运动构件的惯性，再考虑以储能飞轮的转动惯量为优化对象。
五、结论
虚拟产品开发是产品开发中用信息化改造产业化的重要手段。运用VPD中的各项技术和并行工程的思想协同工作，可使产品开发的周期大大缩短，而设计质量可得到大幅度的提高。而逆向设计是我国企业当前最主要的设计方法，用VPD技术尽快提升逆向设计的水平是目前我国企业产品参与市场竞争的实用而有效的产品开发手段。
[参考文献]
[1] 刘之生，黄纯颖．反求工程技术．北京：机械工业出版社，1992
[2] 肖田元，郑会永，王新龙等．虚拟制造体系结构研究．计算机集成制造系统,1999,1:33~38
[3] 张玲,王新龙,肖田元等．虚拟制造中的产品建模技术研究--基于产品定义单元和元建模的产品模型．机械科学与技术,2000,19(6):993~997
[4] 张晓辉．齿轮减速器的反求设计．长春大学学报,2000,10(2):5~7
[5] 芦亚萍,洪佩景．反求创新--家电产品开发的有效途径．轻工机械,2001,1:39~41
[6] 张心忠．虚拟产品开发环境中逆向设计方法的研究及应用,清华大学硕士学位论文,2002年5月
