Conceptul/ Principiul si tehnica de Reverse-Engineering

Universitatea Tehnica Cluj Napoca

Facultatea de Constructii de Masini

Specializarea Masini si Sisteme de Productie

Conceptul si tehnica de Reverse-Engineering

CUPRINS

[ 1 ]

Principiul Reverse Engineering

Definitie :

Ingineria inversa (in engleza reverse engineering) este procesul de descoperire a principiilor de functionare a unui dispozitiv sau sistem prin analiza structurii, functiei si operatiilor acestuia. De obicei, ingineria inversa implica dezasamblarea sau descompunerea sistemului sau dispozitivului respectiv si analizarea in detaliu a functionarii sale, cu scopul de a realiza un nou dispozitiv sau sistem similar, care nu copiaza nimic din cel original.

Originea reverse engineering-ului provine din industria japoneza , care folosea acest

proces pentru cresterea productiei in conditiile unei concurente mari a produselor si evitand astfel efortul intampinat la designul original.

Reverse Engineering-ul , folosit la inceput de toti cei care au pierdut proiectul de

conceptie original, a devenit azi o stiinta inginereasca.

Succesul japonezilor in ceea ce priveste noile produse a condus de la inceput la

considerarea reverse engineering-ului ca si proces de design.

Multe colegii americane au cursuri despre 'ingineria inversa' (reverse engineering) bazate pe redesign, in loc de design-ul original.

Procesul de redesign fost initiat prin obsevarea si testarea produsului. Ulterior produsul a fost dezasamblat si fiecare componenta a fost analizata in functie de forma sa rolul functional , tolerante de asamblare si proces de fabricare.

In anii care au urmat, atat europenii cat si americanii, au realizat instrumente puternice care conduc la reducerea ciclului de obtinere al produselor.

De regula, cele mai multe procese de RE pot fi folosite fara realizarea propriu-zisa a unui prototip.

Solutia :

- realizarea unei masini de masurare tridimensionala pentru palparea suprafetei care trebuie copiata ,insotita permanent de un software de prelucrare a informatiilor / datelor . Aceste informatii sunt de altfel date digitale care vor fi semnale de intrare pentru prelucrarea in softuri de tipul CAD CAM.

- obtinerea unor rezultate spectaculoase si extrem de performante prin utilizarea tehnicii grafice computerizate de tip "buffer"-intermediarul dintre XYZ machine si soft CAD

cu posibilitatea simularii si animarii componentelor care fac obiectul cercetarii / productiei

E.J Birne, in anul 1992 a pus bazele Fundatiei Conceptuale a Soft-urilor pentru Re-Engineering si a definit directiile care complementeaza ingineria traditionala (directa), conform diagramei de mai jos :

De altfel prin cele doua metode de inginerie se poate observa gradul de abstractizare a problematicii realizarii conceptelor de analiza, design si modalitatea realizarii produsului :

Model de realizare a unui produs cu o masina de masurat coordonate

Aparatura :

(CMM) from FARO Technologies Inc.

- asigura acuratetea desenelor tehnologice in formatul dorit de catre utilizator :

2D: .slddrw, AutoCad.dwg, dxf or .jpg, .pdf, .tif
3D: .sldprt, .iges, parasolid, ProE.prt, STEP, ACIS

Pasul nr.1 - se alege componenta care urmeaza sa fie analizata / prelucrata;

Pasul nr.2 - se executa masuratorile..

Pasul nr.3 - se creaza desenul complet folosind ultima versiune a soft-ului Solidworks iar forma finala a desenului tehnologic se alage in formatul dorit (2D sau 3D)

Astfel , pot fi definite 3 etape in procesul RE :

-etapa 1. - folosirea unui dispozitiv sau tehnica pentru introducerea elementelor de geometrie a obiectelor (de obicei sub forma punctelor X,Y si Z ale obiectului relativ cu sistemul local de coordonate)

-etapa 2. - folosirea unui program computerizat pentru a citi aceste date si pentru convertirea lor intr-o forma folositoare;

-etapa 3. - transferarea rezultatelor din softwarele de modelare sau aplicatie 3D, astfel incat actiunea dorita de geometrie sa fie indeplinita. Uneori etapele 2 si 3 pot fi comune.

Nevoia de Reverse Engineering

Desi pare oarecum sfidatoare, aceasta idee de a studia, demonta , masura si culege toate informatiile despre un produs deja existent criticat de multi specialisti un "furt de inteligenta", reprezinta numai o viziune cu totul subiectiva si restransa din toate punctele de vedere.

Nu se are in vedere si avantajul pe care producatorii de bunuri comerciale il au in procesul de remodelare si studiere a produsului in toate variantele acceptate de piata tot mai mult interesata de marfuri cu calitati noi si parametri indiscutabili superiori la preturi din ce in ce mai mici.

Sunt avantaje indiscutabile pentru "obiectele" sau starile materiei fara o geometrie definita (plante , corpul uman, creatiile naturale.) in studiul si modelarea 3D . Inceputurile modelarii geometrice din anii `60 si `70 odata cu implementarea soft-urilor CAD nu prevedeau asemenea optiuni sau posibilitati, dar odata cu dezvoltarea sistemelor de prelucrare a informatiei / datelor precum si dezvoltarea tehnologica a electronicii de varf au permis in final abordarea problemei din cu totul alte puncte de vedere.

Spre exemplu, orice desen tehnologic ar exista, tot nu se va conforma intrutotul produsului final dorit de catre producator, vor exista neconcordante , erori de fabricatie..s.a.m.d. datorita unor cauze mai mult sau mai putin legate de soft-ul de design utilizat, de posibilitatile acestuia, de pregatirea designer-ului, etc.

Sau, abordand problema din alt unghi de vedere, se poate vedea cat de usor se poate "regandi si fabrica" un produs care nu mai are documentatia originala, fie ca e distrusa, incompleta, necorespunzatoare noilor cerinte tehnologice , etc.

Sau, cat de eficient ar fi ca pentru un designer sa existe posibilitatea de a "crea" el insusi ceea ce numai natura poate oferi, prin biodiversitatea ei desavarsita, pentru care nici un software nu ar avea o solutie eficienta.

Ca si definire a celor doua concepte , ingineria directa si ingineria reversibila sau inversa se poate spune ca deopotriva sunt implicate in designul, fabricarea, constructia si intretinerea produselor sistemelor si structurilor.

Ingineria directa - este de fapt "procesul traditional" de dezvoltare de la abstractiunile de nivel inalt si designul logic, la implementarea fizica a unui sistem, iar :

procesul de reproducere a unui component existent, subansamblu sau produs, fara ajutorul desenelor, documentatiei sau a unui model computerizat se defineste ca Reverse Engineering.

RE este foarte comun in diverse domenii precum ingineria de software, constructiilor de masini, produse de consum, microprocesoare, chimica, electronica, design mecanic etc..

Nevoia de a utiliza un soft CAD in situatiile de "free forme" poate deveni uneori imposibila deoarece nu exista certitudinea ca modelul creat este intradevar 100% cel dorit de catre designer.

Un alt motiv care impune RE este de a comprima timpul necesar dezvoltarii produsului, necesar supravietuirii producatorului pe o piata din ce in ce mai agresiva si competitiva, iar fara dezvoltarea acestuia esecul este din start previzibil.

Care ar fi de altfel motivatia pentru impunerea RE ?

Desigur :

Producatorul original al unui produs nu mai produce acel produs, iar piata il doreste;

Nu exista documentatia adecvata a desenului original;

Producatorul original nu mai exista, dar cerintele clientilor pentru produs / subansamble raman valabile;

Designul original si documentatia s-au pierdut ori nu a existat niciodata;

Cateva caracteristici negative ale produsului trebuiesc eliminate;

Uzura excesiva poate indica locul unde un produs poate fi imbunatatit;

Imbunatatirea calitatilor unui produs utilizat pe termen lung;

Analiza caracteristicilor pozitive si negative ale produsului;

Explorarea unor metode noi de imbunatatire a performantelor;

Modelul CAD original nu este suficient pentru a sustine metodele curente de fabricatie;

Dezvoltarea unor produse cu calitati mai bune;

Furnizorul original nu mai este capabil sau nu doreste sa ofere piese si subansamble de schimb;

Fabricantii care ofera echipamentul original nu doresc sau cer preturi exagerate pentru piese de baza;

Imbunatatirea materialelor uzate moral sau procesele de fabricatie invechite cu tehnologii curente si mai putin costisitoare.

In mai toate cazurile RE are eficienta numai si numai cand produsele dorite necesita investitii mari sau vor fi reproduse in cantitati mari, avand in vedere costul intregului proces.

Cum se realizeaza RE ?

Spre exemplu , pentru o piesa oarecare, se executa o scanare 3D pe anumite traiecte si coordonate impuse de procesul de prelucrare a informatiilor. Aceste date 3D sub forma unui "nor de puncte" sunt apoi transmise prin instrumentele de schizitie a informatiilor intr-un sistem organizat, ordonat, corespunzator pozitiei geometrice reale a suprafetei scanate , fata de un punct de referinta stabilit anterior.

Datele sunt prelucrate matematic , geometric, logic, natural si conventional (NURBS data acquisition system) si transferate softului CAD sau CAD / CAM / CAE. Dimensiunile (cotele X,Y si Z) punctelor determinate sunt reperele atat exterioare cat si interioare ale produsului / obiectului care sunt prelucrate (unite, conturate) sub forma unor ecuatii de stare generala si ulterior particulare, corespunzatoare unor zone / suprafete / volume ale obiectului virtual care va fi redat de catre soft. Aceasta multitudine de puncte va crea o imagine virtuala de suprafete determinate, cu cat mai multe, cu atat corespondenta dintre real si virtual va fi mai mare , dar si o acuratete mai buna a imaginii finale a produsului.

O schema de principiu a RE ar arata astfel:

Concluzie :

Se poate spune ca RE incepe cu produsul si lucreaza in cursul procesului de design in directia opusa pentru a ajunge la o stare de produs finit.

Factorii care influenteaza tehnica Reverse Engineering

Alegerea masinii tridimensionale de masurat (MMT) trebuie sa se faca in functie de produs. In acord cu aplicatiile cerute, exista masini de masurat 3D prin palpare punct cu punct sau masini de masurare 3D prin scanare.

Primul caz (palpare punct cu punct) - reprezinta metoda de contact direct cu produsul

Scanarea - se executa cu fascicul laser - metoda indirecta, prin iradiere nedistructiva

Exista diferente intre scanare si digitizare ?

De obicei acesti termeni exprima acelasi proces , dar termenul de digitizare este folosit indeosebi pentru primul caz (palparea punct cu punct a reperelor discrete de pe suprafata analizata).

Tehnologia neinvaziva & nedistructiva prin iradiere cu fascicul laser, capteaza punct cu punct reflexiile defazate ale semnalelor modulate in frecventa.

Este un proces mult mai rapid, eficient, se poate desfasura practic pe orice configuratie geometrica a conturului de analizat si , spre deosebire de metoda palparii punct cu punct, colecteaza sute de mii, milioane de repere, foarte avantajos din punct de vedere al acuratetii si rugozitatii .

Scanarea se poate efectua in diferite profiluri, directii, unghiuri si adancimi, iar ceea ce este foarte important, in final se poate efectua o combinatie de scanari intr-un tot unitar, de o mare rezolutie si finete, fiind cea mai recomandata aplicatie din domeniul RE.

Odata ce obiectul exista in baza de date, se poate apela usor la aceleasi caracteristici, chiar se pot imbunatati prin corelarea cu alte informatii nou primite / achizitionate intr-o multitudine de fisiere care completeaza complexitatea procesului (IGES, VDA-FS, ISO G-code, DXF,)

Aceste fisiere CAD contin informatiile curente despre :

- datele geometrice virtuale in orice format accesibil;

- conturarea suprafetelor, modificarilor aduse si analiza lor;

- analiza geometrica pentru evaluarea integritatii formei.

In aceeasi masura softul va accelera timpul de ciclu in RE prin :

- cresterea calitatii suprafetelor prin crearea de curbe netede si continue;

- eliminarea timpului necesar pentru pregatirea documentatiei;

- eliminarea prototipurilor;

- cresterea calitatii produsului prin analiza sculei.

Procesul de producere si verificare a productiei este un timp consumat care costa. Prin intermediul soft-urilor utilizatorii pot alinia precis datele scanate cu modelul geometric CAD pentru a evalua diferenta dintre cele doua. Noile meniuri din soft-urile Rapid Prototyping permit realizarea rapida a prototipurilor sculelor necesare productiei.

Exemplu de Reverse Engineering care utilizeaza metoda scanarii

Produsul comercial - reclama scanner / pret / caracteristici :

Procedeu & explicatii detaliate :

scanare obiect

divizare pe regiuni a modelului scanat

extrudarea virtuala a regiunilor

suprapunerea suprafetelor pe reteaua de puncte scanate

prelucrare in volum a suprafetelor

umplere design cu parametri scanati

Procesare XOR (alta aplicatie)

Aplicatiile RE

Varietatea utilizarii RE :

o       Proiectare - adaptarea unei structuri la o suprafata de contact pentru a comprima ciclul de finalizare;

o       Dezvoltare - prototipare rapida si testarea prototipului, pentru evaluari economice, ale fluxului sau alta natura;

o       Fabricarea de scule - reducerea timpului necesar prelucrarii si imbunatatirea preciziei acestora;

o       Reparatii - crearea pieselor noi din originale vechi, fracturate sau uzate;

o       Fabricatie - dezvoltarea pieselor de echipament sau structuri unice;

Metoda RE :

Tehnologie RE -exemplu

Program de masurare bazat pe limbajul DMIS

Masoara elemente prismatice, muchii si suprafete strambe

Import direct fisiere PRO-E, CATIA V4, CATIA V5, UNIGRAPHIC,IGES, VDA, DXF

Disponibil pentru masuratori manuale, punct-cu-punct si
scanare continua

Controlul si ingineria inversa a profilelor foarte rapida

Motorizat de puternice unelte grafice

Module flexibile permit generarea de rapoarte grafice conform
necesitatilor clientului

Rapoarte grafice in QS-STAT SPC LIGHT,
HTML, PDF, MS-WORD, MS-EXCEL, TIFF

Utilizarea sistemelor cu brat dublu articulat extrem de simpla

Integrare componente client specifice