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逆向工程的许多用途

通过莱斯利Langnau|2020年2月17日

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有些人认为逆向工程是一种从竞争对手那里窃取机密的手段。但这门科学有许多重要用途,尤其是在法医工程方面。

Jean Thilmany,高级编辑

在法律案件中,法医工程师通常被要求提供证据,说明一个部件或过程是如何或为什么失败的。法医工程师通常依靠逆向工程来了解零件是如何制造的。

英国米尔顿·凯恩斯的独立法证工程顾问科林·加格表示:“通过退回到转换阶段,工程师在确定部件或系统中最可能或预期的故障点方面处于更有利的位置。”
复杂的甚至直接的系统可能在几秒钟内发生戏剧性和悲剧的故障。当故障成为法律案件的主题时,Gagg经常被要求进行调查。

“要识别一个部件或系统是如何失效的,工程师必须首先了解它是如何工作和制造的,”Gagg说。“通过退回到转换阶段,他们将处于一个更好的位置,以确定组件或系统中最可能或预期的故障点。”

因此,将“取证工程”添加到不断增长的逆向工程应用程序列表中。工程公司还发现,通过将现有部件精炼成新工艺,该工艺可以帮助降低成本。

“在我看来,一个好的法医工程师会通过细致的调查和逆向工程的方法收集相关信息,”Gagg说。

“这同样适用于那些一开始就负责制造零件的工程师,”Gagg说。“任何工程师都应该把自己培养成一名故障侦探。”

3D扫描仪,如Faro公司的Faro Arm,已经成为捕捉物体几何形状并在软件中重新创建它的无价工具。这些扫描仪发射一束激光,从它击中的物体反射回来,收集有关物体几何形状的数据。收集到的数据变成一个“点云”,然后导出到软件中,用于创建数字图像和CAD模型。

斯图尔特·布朗(Stuart Brown)是马萨诸塞州尼德汉姆高地(Needham Heights) Veryst Engineering的管理负责人。他从自己公司的案件档案中提供了一个例子。

2006年,东京一栋23层公寓内的辛德勒(Schindler)电梯的刹车失灵,导致一名十几岁的男孩被困致死。在由此引发的诉讼中,检察官列出了一系列可能发生故障的情况。但布朗说,他们无法确定任何一种情况。

Veryst的法医工程师能够通过软件模拟和分析情况,证明刹车可能会很快失灵,实际上是在几个小时内。检方称,他们的分析帮助一名维修官员洗脱了嫌疑。在2004年11月的一次检查中,该官员本应发现刹车可能失灵的迹象。

布朗说,这起案件的问题在于确定被认为是事故原因的刹车部件何时发生了过度磨损。2015年9月,东京地方法院宣告原田龙一无罪,原田龙一曾是辛德勒的员工,负责维修。据《日本新闻》报道,法院表示,“没有客观证据”表明,在2004年11月原田检查电梯时,刹车出现了异常。

但是,该案件的法官认为,SEC Elevator Co.的3人有罪。SEC在2006年4月接管了迅达的维修工作。据该消息来源称,法官表示,他们忽视了这一异常现象,“忽视了他们建立一个适当的检查和维护系统的责任”。

布朗说,导致事故的刹车片磨损速度是分析和描述该案件的关键。例如,警方调查人员测量了刹车磨损。Veryst的法医工程师将这些数字和其他各种因素输入到他们的分析软件中:Brown说,制动鼓的温度,制动鼓大小的膨胀和收缩的变化,电梯在一段时间内的使用周期,以及制动系统的螺线管力和螺线管位置的变化。
他说:“考虑到所有这些因素,我们发现,一旦刹车温度足够高,磨损可能会在30小时内发生。”法医工程分析显示,佩戴并不需要几周、几个月或几年的时间。布朗说,失败不是随着时间的推移慢慢发生的,而是由“可能在短时间内悲剧地发生的级联效应”造成的。

带回来

逆向工程通常被定义为通过检查已经创建的产品的结构和组成来复制它的行为。设计人员用专门的扫描仪扫描零件,扫描仪能够将设计坐标载入软件系统。

逆向工程过程需要硬件和软件协同工作。硬件用于测量物体,软件将其重建为三维模型。加州拉霍亚市软件开发商ReverseEngineering.com的首席技术官布拉克斯顿·卡特(Braxton Carter)表示,可以使用三维扫描技术来测量物体,比如坐标测量机、激光扫描仪、结构化光数字化仪或计算机断层扫描。

像3D Systems公司的Geomagic这样的软件,可以帮助工程师在没有CAD图纸的情况下获取零件的数据点。工程师可以使用该软件精确地再现零件作为最初建造或添加尺寸特征到CAD模型,以满足设计规格。

在需要捕捉物体的几何形状并在软件中重新创建它的一系列行业中,3D扫描仪已经变得非常宝贵。为了将这些真实世界的尺寸输入计算机,3D扫描仪发射一束激光,从它击中的物体反射回来,然后测量光返回所需的时间,并计算出物体的距离。扫描仪继续旋转,完全测量物体。由此产生的“点云”被导出到软件中,这些点被连接起来创建数字图像和CAD模型。

Autodesk软件质量保证技术负责人Johnson Shiue表示,的确,逆向工程最常被认为是用来确定如何重新制造不再生产的部件。

就像他说的,“假设你有一些部分数据。你怎么用它做东西?”

“无论你是一个做基准测试的设计师,还是在改造一个旧的设计,你都需要使用不完整的数据,”Shiue说。“消化不完整的数据并将其转化为有用的模型几何既是一门科学,也是一门艺术。”

他说,或者,目标可以是确定一个特定的部件或设备是如何工作的,并对其进行改进。卡特说,随着用于这项技术的硬件和软件变得越来越便宜,小型工程公司可以通过将现有部件与他们的CAD程序集成来加快开发并降低生产成本。

以伊利诺伊州北京的Excel Foundry & Machine公司为例。该公司为几乎所有类型的采矿和岩石破碎机提供替换部件。该公司前高级设计工程师克里斯•德威特(Chris DeWitt)表示,大约三年前,当该公司寻求扩张时,高管们面临着一个两难境地。

DeWitt说:“我们需要探索更复杂的部件和系统,在这样做的过程中,很难用旧的手工工具获得所需的所有尺寸。”
工程师们知道光有坐标测量机是不够的。DeWitt和他的同事们知道坐标测量机(CMM)需要能够将测量数据发送到公司的CAD系统的软件。

该公司从Reverseengineering.com安装了桌面反向工程软件,并购买了单独的三坐标测量机。

Dewitt说,与过去几年相比,新系统使公司能够制造更复杂的替换部件。Excel Foundry的工程师估计,在没有硬件和软件包的情况下测量部件和更换部件所需的时间将是现在的四倍。

卡特补充说,逆向工程也正在进入维修大修(MRO)领域。该领域的新焦点是使用3D逆向工程,采用新的和正在开发的技术,如增强现实(AR),以帮助提高准确性和更换机械中独特或高度专业化的部件的周转时间。

生产扫描cad软件的Geomagic详细介绍了一个项目,其中一个客户正在开发一种专门的、自动驾驶的轻型汽车。

为了加快上市时间,客户选择并组合了目前市场上车辆的一系列组件和系统,以完成一个工作原型。在这个过程中,客户的工程师为项目找到了一个特定的转向节,所以他们数字化并捕获了设计,然后在CAD系统中进一步完善和修改它。然后,它用一种轻质材料制造了关节。

Geomagic表示:“通常情况下,客户会遵循已建成或设计意图的建模方法。”这意味着客户将会完全按照最初建造的方式重建零件,或者向CAD模型中添加尺寸特征,以满足设计规范。

对于转向节,客户使用了一种混合建模方法,梳理了这两个概念,提供了一个具有尺寸特征和精确NURBs表面的CAD实体模型。使用该策略,客户在不到两个小时的时间内就准备好了模型,然后将模型作为基于功能的CAD设计转移到SolidWorks。

该公司计划随后使用3D打印技术制造转向节。

寻找制造方法

Gagg还使用逆向工程来发现制造过程可能没有按照需要执行。

一个例子来自他的书,法医材料工程:案例研究,与彼得里斯刘易斯和肯雷诺兹合著(CRC出版社,2003)。这起案件始于一名码头工人注意到一个33英尺长的装满货物的集装箱从船上吊起时,其末端面板出现裂缝。集装箱没有其他明显的外部损坏迹象,里面的机械部件仍然固定在里面。

在发现第一个裂缝后不久,其他港口的工人注意到同一类型的货运集装箱也出现了类似的故障。由于损坏的集装箱必须处理或修理,成本迅速上升。机器必须装进其他集装箱,空集装箱需要运到有破损集装箱的港口。

调查人员发现,所有集装箱都是同一家工厂在两个月内制造的。在每个集装箱上,两端板之间的铆接接缝从底部到顶部都裂开了。所有的集装箱都以同样的方式裂开,所有的集装箱都装载着重型机械,而不是均匀分布在整个集装箱长度上的笨重货物。

一位机械工程师发现集装箱的原始设计或构造没有任何问题。

法医逆向工程师被召集来追踪每一个部件以及它是如何制造的。他们确定集装箱的侧板是铝合金板,用铆钉相互铆接,并沿垂直搭接连接到框架上。所有的故障都涉及到从容器的末端拉开第一和第二页之间的垂直搭接接头。

由于铝板被认为是无害的,他们的注意力转向了铆钉。尽管显微镜检查没有发现内部故障、磨损或腐蚀,但调查人员发现,如果靠近接缝末端的一个铆钉失效,就会给相邻的铆钉施加额外的负荷,使它们承受过度压力,导致所有的铆钉都松开。在查看了工程图纸上的铆钉规格后,法证逆向工程师对失效的铆钉进行了硬度测试。试验表明,铆钉的强度远低于图纸所示的强度。

随后,一名机械工程师发现,一批集装箱生产时使用的铆钉没有按照图纸上的规定进行首次解决处理。随后发现集装箱工厂的一名员工遗漏了固溶热处理。

情况下解决。还有逆向工程的其他案例。


了下:3 d CAD世界


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