1 圣 約 翰 技 術(shù) 學(xué) 院 機(jī)械系專題研究報(bào)告 逆向工程與快速成形技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)之應(yīng)用 林 守 儀 副教授 中華民國九十三年七月 2 摘 要 本計(jì)畫旨在提出逆向工程 快速成形技術(shù) 新產(chǎn)品模型之應(yīng)用，協(xié)助產(chǎn)業(yè)升級并提升競爭力。 計(jì)畫內(nèi)容共分成兩大部分：逆向工程、快速成形。在逆向工程方面，首先探討 次元量測技術(shù)在三次元教學(xué)模型之應(yīng)用，以手動(dòng)量測方式迅速擷取點(diǎn)資料，再 將資料點(diǎn)整理成規(guī)則化格式，接著進(jìn)行新產(chǎn)品模型 建構(gòu)，將點(diǎn)資料構(gòu)建成實(shí)體（ 薄殼（ 本研究采用 著將 型轉(zhuǎn)換成三角網(wǎng)格構(gòu)造的格式，以利后續(xù)快速成形技術(shù)的進(jìn)行，在 術(shù)方面，本研究采用粉末式快速成形技術(shù)制作型。 3 目 錄 摘要 目錄 圖表索引 第一章 緒論 . 1 第二章 逆向工程 2 腦輔助設(shè)計(jì) . 2 次元量測系統(tǒng) . 4 資料處理 . 6 型構(gòu)建 . 6 組件構(gòu)建與組立 . 6 第三章 快速原型技術(shù) 11 速成形原理 . 11 速成形的種類 . 12 第四章 實(shí)驗(yàn) 17 驗(yàn)設(shè)備 17 驗(yàn) 流程 . 19 例 . 20 4 件點(diǎn)資料量測處理 20 件 型與零件組立 . 21 速原型制作 22 參考文獻(xiàn) . 26 圖表索引 圖 2程示意圖 . 4 圖 2次元量測系統(tǒng) . 5 圖 2立內(nèi)定的組立基準(zhǔn)面 . 7 圖 2件 1 與基準(zhǔn)面 . 7 圖 2立零件 . 8 圖 2立 . 8 圖 2件 1及零件 2 9 圖 2件 1 及零件 2 基準(zhǔn)面組立 . 9 圖 2零件 2 基準(zhǔn)面上構(gòu)建零件 . 10 圖 3 型示意圖 . 11 圖 3射光合高分子成型示意簡圖 . 13 圖 3射燒結(jié)技術(shù)成型示意簡圖 . 13 圖 3層法 成型示意簡圖 . 14 圖 3積法成型示意簡圖 . 14 5 圖 3度分析圖 . 15 圖 3402 加工原理圖 . 16 圖 4次元測量儀 . 17 圖 42001. 18 圖 4速成型機(jī) . 19 圖 4 20 圖 4件組立圖（ 1） . 22 圖 4件組立圖（ 2） . 22 圖 4轉(zhuǎn)檔流程（ 1） . 23 圖 4轉(zhuǎn)檔流程（ 2） . 23 圖 4轉(zhuǎn)檔流程（ 3） . 24 圖 4處理 . 24 圖 4品 25 圖 4速原型制作流程圖 . 25 6 第一章 緒論 傳統(tǒng)順向工程開發(fā)流程：首先依據(jù)需求制定規(guī)格，再以工程分析所需的產(chǎn)品尺寸來設(shè)計(jì)產(chǎn)品尺寸。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，通常以 建構(gòu) 3D 模型，接著以人工或 造 3D 型，再進(jìn)行外形量測，以確認(rèn)模型無誤，即進(jìn)行模具設(shè)計(jì)與開模，最后量產(chǎn)并檢驗(yàn)產(chǎn)品的精度，整個(gè)流程曠日費(fèi)時(shí)，然而精密化與多種少量是現(xiàn)在產(chǎn)品與未來發(fā)展的趨勢，尤其我國加入 ，對于品質(zhì)的要求與開發(fā)時(shí)程的縮短，更是日趨嚴(yán)謹(jǐn)，如何提升我國產(chǎn)業(yè)的競爭力，以生 產(chǎn)精密與多種少量的產(chǎn)品是刻不容緩的問題。本產(chǎn)學(xué)合作計(jì)畫提出逆向工程快速成形技術(shù) 公差比對與誤差分析在新產(chǎn)品模型之應(yīng)用，協(xié)助產(chǎn)業(yè)升級并提升競爭力。 7 第二章 逆向工程技術(shù) 2電腦輔助設(shè)計(jì) （ 1） 定義 指利用電腦來進(jìn)行設(shè)計(jì)的開發(fā)，分析與評估、修正等工作。包含了電腦輔助工程 （ ，利用已經(jīng)建立好的幾何模型來進(jìn)行分析及評估，如結(jié)構(gòu)件 支撐時(shí)支應(yīng)力、應(yīng)變、撓度或溫度之分布。 （ 2） 資料模式 統(tǒng)因特性與功能的不同，有以下常見的格式： （ a） 原始圖形交換格式 （ 可作為輸出與輸入之格式轉(zhuǎn)換，應(yīng)用于平資料之轉(zhuǎn)換。 （ b） 產(chǎn)品資料交換格式 （ 案較 檔案小，執(zhí)行時(shí)間少，錯(cuò)誤率也較小。 （ c） 圖形交換檔（ 常用于 軟體之資料格式。 （ d） 產(chǎn)品模型資料交換標(biāo)準(zhǔn) （ 國際標(biāo)準(zhǔn)，是未來之潮流。 8 （ 3） 統(tǒng)的四階段 （ a） 幾何模型化：將物體或零件以數(shù)學(xué)方式或解析法則來描述，并藉由軟硬體的幫助顯示在螢?zāi)簧稀?（ b） 設(shè)計(jì)分析與最佳化：利用各種 體來進(jìn)行零組件或產(chǎn)品的 應(yīng)力、應(yīng)變、撓度、震動(dòng)模態(tài)、熱傳、表面積、質(zhì)量。大多利用有限元素法 （ 來進(jìn)行。 （ c） 設(shè)計(jì)復(fù)核與評估：可檢查各元件間是否有無干涉的現(xiàn)象，避免在裝配時(shí)發(fā)生。困難。也可對零件訂定精密的尺寸和公差，使得制造時(shí)能配合所需之精度。 （ d）文件與繪圖說明：可以藉助自動(dòng)繪圖機(jī)加注文件說明及參考資料誠心產(chǎn)生設(shè)計(jì)圖樣，也可產(chǎn)生及列印出詳細(xì)的加工圖。 逆向工程 就是根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)體，量測其外形座標(biāo)點(diǎn)資料，再根據(jù)量測所得的點(diǎn)資料建構(gòu)物體的曲面幾何模型。當(dāng)新產(chǎn)品開始設(shè)計(jì)時(shí)，即藉由 硬體設(shè)備，利用照相或掃瞄的原理，快速且精準(zhǔn)的取得產(chǎn)品的 資料；并且使用有助 于逆向工程應(yīng)用的的專用軟體例如： 行曲面的建構(gòu)、邊修及分析。之 9 后即可直接下指令操作 統(tǒng)，便能迅速的得到產(chǎn)品的原型。在確認(rèn)設(shè)計(jì)無誤后，就能方便應(yīng)用于 工或快速模具等制造！除了仿型和增進(jìn)后續(xù)的加工品質(zhì)外，更能賦予產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)的好處。所以整合應(yīng)用，比傳統(tǒng)的開發(fā)流程大幅地縮短了 R D 的時(shí)間及成本。 圖 2程示意圖 次元量測系統(tǒng) ( 接觸式量測 系統(tǒng)可分為兩種 :一為三次元座標(biāo)量測儀 (一為掃瞄尋跡專用機(jī)，其中又以前者最具代表性 1、 2， 由座標(biāo)量測機(jī)本體與數(shù)據(jù)機(jī)處理單元所構(gòu)成，如圖 2利用一個(gè)多方向感測指示的測頭接觸工作表面，沿 X、 Y、Z、三軸移動(dòng)以進(jìn)行量測，測頭與工作表面達(dá)到一壓力時(shí)，即可觸發(fā) 10 信號，將這些座標(biāo)送到數(shù)位處理機(jī)，經(jīng)由軟體計(jì)算，即可得知工件外形尺寸， 逆向工程應(yīng)用上，必須沿著工件外形規(guī)劃 u、 v 方向所要測量的點(diǎn)，在依次以 測頭觸碰這些點(diǎn)，獲取 曲面上的點(diǎn)資料，如果須要較密的點(diǎn)資料，除了教導(dǎo)式之外，尚須采取自動(dòng)量測方式。 優(yōu)點(diǎn) : 測量范圍廣。 易測量 3D 工件。 缺點(diǎn) : 質(zhì)材料不易測量。 測頭有一定直徑，可能無法測量。 點(diǎn)接觸式三次元量測儀量測時(shí)，需先選定測頭再?zèng)Q定坐標(biāo)系統(tǒng)，然后才開始量測。 圖 2次元量測系統(tǒng) 11 資料處理 經(jīng)由量測系 統(tǒng)量測的資料，可能含有雜訊或不夠規(guī)則化，尤其是不同的系統(tǒng)通常有其既定格式，必需加以整理才能進(jìn)行 型構(gòu)建。 型構(gòu)建 在曲線構(gòu)建上常采用 是 線通過所有資料點(diǎn)，必須改變曲線的端點(diǎn)或端點(diǎn)切線向量，才能改變曲線形狀，同時(shí)只能使用三次方曲線，因此缺乏直覺性與靈活度。 然改進(jìn)了這些缺點(diǎn)可用控制多邊形(控制形狀，亦不受限于三次方曲線，但 缺乏控制功能， B- 提出可解決此項(xiàng)問題，目前大多數(shù)商用軟體均采用此種架構(gòu)，本文直接采用 軟體來構(gòu)建曲線、面與實(shí)體。 組件構(gòu)建與組立 零組件構(gòu)建可分兩種方式來進(jìn)行：先個(gè)別建立零件再組立或 4、 5。 步驟 1 建立新組立件，并建立內(nèi)定的組立基準(zhǔn)面。 (1) 位選 入組立件名稱： (2) 建立內(nèi)定的組立基準(zhǔn)面 (3) 建立組立基準(zhǔn)面 圖2示 回到 令目錄下 ) 12 圖 2立內(nèi)定的組立基準(zhǔn)面 步驟 2 組立零件 1) 讀取零件 后組立到 在目錄下選取零 件 選取 色面與選取 色面，如圖所示 選取 色面與選取 色面，如圖所示 選取 色面與選 取 色面，如圖 2示 圖 2件 1 與基準(zhǔn)面 完成 件 1 之組立，如圖 2示 13 圖 2立零件 驟 3 組立 件 2 選取 件 2 選取 的 的 圖 2示 選取 件 2 的小圓柱箭頭指示面與 件 1 的孔內(nèi)面，如圖所 2 完成零件之組立 ，如圖 2示 圖 2立 14 直接由零件組立觀點(diǎn)著手。 圖 2件 1 及零件 2 由 件 1 直接繪制組立 件 2。 (1) 在 組下，將 件 1 及僅含有 件 2 組立在一起， 如圖 2示。 圖 2件 1 及零件 2 基準(zhǔn)面組立 (2) 以 方式在僅有 零件上建構(gòu) 件 2 的 圖 2示。 15 圖 2零件 2 基準(zhǔn)面上構(gòu)建零件 16 第三章 快速原型技術(shù) 速成形原理 快速原型技術(shù)（ 乃是使用非傳統(tǒng)加工的方法，先由 體設(shè)計(jì)產(chǎn)生出 3體模型，再經(jīng)由電腦程式將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換成為 案，此一檔案是由 近似一個(gè)平面。接著將此檔傳至快速成型系統(tǒng)中，系統(tǒng)依使用者的要求將實(shí)體模型分割成一層一層，并一層一層堆迭出形狀 6、 7?？焖僭蜋C(jī)具有省時(shí)且易于使用及適應(yīng)多樣性產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。 （ 1） 工作原理：快速原型機(jī)（ 基本原理，乃是使用非傳統(tǒng)加工的方法，將由 計(jì)產(chǎn)生出來的 3D 實(shí)體模型（ 經(jīng)由電腦程式將實(shí)體模型分割成一層一層 ，再由非傳統(tǒng)加工方法一層一層堆迭成型。 圖 3 成 17 （ 2）特色：快速原型機(jī)的特色在于其能加工成型的工件形狀幾乎沒有限制，而且可以制造切削刀具無法切削出的形狀。另外，快速原型機(jī)成型可以由程式自動(dòng)將 案轉(zhuǎn)成為快速原型機(jī)可用的檔案（ ），因此并不需要太多的人工，加工條件遠(yuǎn)比切削加工簡單，技術(shù)層面沒有切削那么復(fù)雜麻煩。 （ 2） 缺點(diǎn)：生產(chǎn)速度慢，一次只能做一個(gè)或數(shù)個(gè)，并不適合于大量生產(chǎn)，而且產(chǎn)品精度較差。另外，快速原型機(jī)做出來的成品使用非塑膠材料的仍然不多。 速成形的種類 目前在市面上有近二十種不同的快速原型機(jī)系統(tǒng)，每一個(gè)系統(tǒng)的基本原理都相類似，不一樣的只是在于堆迭材料的方法不同，以下介紹幾種比較常見的制作方式： （ a） 雷射光合高分子成型（ 以美國3D 公司為代表。 18 圖 3射光合高分子成型示意簡圖 （ b） 雷射燒結(jié)技術(shù)（ 以美國司為代表。 圖 3射燒結(jié)技術(shù)成型示意簡圖 （ c） 固態(tài)基礎(chǔ)熟化法（ 以以色列 司 為代表。 （ d） 迭層法（ 以美國 司為代表。 19 圖 3層法成型示意簡圖 （ e） 溶解沈積法（ 以美國 司為代表。 圖 3積法成型示意簡圖 （ f） 3刷法（ 3D 以美國 司為代表。 (g)粉末成形法 速原型系統(tǒng)一臺(tái)售價(jià)是 5 萬美金，機(jī)器的加工原理乃是麻省理工學(xué)院 (的 3DP(8、 9、 10一層的累積成型，但經(jīng)過本機(jī)器所制作的原型件必須在再經(jīng)過滲臘或是環(huán)氧樹脂，以增加其強(qiáng)度 20 與耐久性，零件強(qiáng)度分析圖如 圖 2精度與強(qiáng)度是以選擇的材料而定強(qiáng)度可達(dá) 10 面中精度是 Z 軸的精度在 吋內(nèi)，對于收縮的誤差，可以在 作業(yè)軟體中使用不同比例特征來調(diào)整預(yù)期的收縮且使 到更精準(zhǔn)的比例，而滲臘的過程非常簡單，只需花一分鐘。本機(jī)器最大的優(yōu)點(diǎn)是加工速度快且做支 撐之粉末及掃除多余的粉末皆可回收使用，約為工速度的 10 倍 (大約 而且所完成的原型件品質(zhì)好且表面佳。其工作方式如 圖 2 y- sS t r s L as s S t r t r 度分析圖 21 (a) 構(gòu)造示意圖 (b)加工流程 圖 3402 加工原理圖 活 塞 1活 塞 2噴嘴滾子粉末 22 第四章 實(shí)驗(yàn) 4驗(yàn)設(shè)備 項(xiàng)次 系統(tǒng)設(shè)備 規(guī)格 數(shù)量 1 次元測量儀 10 1(部 ) 2 快速成型機(jī) Z 402 (部 ) 3 體 2001(套 ) 4 個(gè)人電腦 (部 ) 5 雷射噴墨印表機(jī) P 1（部） 次元測量儀如圖 4示，用于擷取實(shí)體原件的點(diǎn)資料。在擷取點(diǎn)資料之前，先規(guī)劃好量測的路徑及順序，并在開始量測時(shí)，做測頭的校正、基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸的設(shè)定便可開始量測 。 量測完畢，便可將檔案輸出，作為繪制 圖 4次元測量儀 23 2001圖 4示，用于繪制 型。將量測到的尺寸資料，加以整理后，便能利用 將實(shí)體零件重建出來。繪制時(shí)可先將零件個(gè)別繪制出來，在開啟組立檔，組立所有的零件。 圖 42001速成型機(jī)如圖 4示，用于制造 型。我們將繪制好的過轉(zhuǎn)檔的動(dòng)作，轉(zhuǎn)成能讓快速成型機(jī)所接受的 時(shí)便能將我們先前所繪制好的 噴墨印刷的方式，將成品堆迭出來，在經(jīng)過一段干燥時(shí)間后，便可將成品挖掘出來，做些清理粉末的動(dòng)作，即可的到所需的成品?；蚴侨プ龈M(jìn)一步的 利用，例如：制作快速模具 們制作出來的 過?？蛑谱?，混合硅膠，澆鑄模體，抽真空，加熱硬化，分割硅膠模，取出 可得到所需要的快速模具。 24 圖 4速成型機(jī) 4實(shí)驗(yàn)流程 1. 設(shè)定量測點(diǎn)資料參數(shù) 2. 原始模型點(diǎn)資料量測 3. 量測點(diǎn)資料整理 4. 型建構(gòu) 5. 轉(zhuǎn)成三角網(wǎng)格檔 （ ） 6. 快速成型模型制作 7. 設(shè)定加工參數(shù)及擺放位置 8. 開始成型 9. 干燥取出 10. 清理工件， 表面修飾 25 設(shè)定量測參數(shù)量測原始模型點(diǎn)資料量測點(diǎn)資料整理C A D 模 型 建 構(gòu)實(shí)體轉(zhuǎn)成三角網(wǎng)格檔快速成型模型製作成品完成圖 4統(tǒng)驗(yàn)證流程圖 實(shí)例 零件點(diǎn)資料量測處理 26 量測順序 (1)打開空壓機(jī) 進(jìn)入電腦 三分鐘后打開機(jī)器電源 (讓空氣軸承能夠確實(shí)充氣 )按綠色鍵 (讓機(jī)器回歸機(jī)械原點(diǎn) )等機(jī)器回到正常高度 進(jìn)入主程式 (2)將量測工件放置于量測平臺(tái)上并將其固定 開啟新程式 進(jìn)入單獨(dú)學(xué)習(xí)模式 檔案格式規(guī)劃 建立測頭資料 測頭校正 (3)建立工件座標(biāo) 基準(zhǔn)面 基準(zhǔn)軸 原點(diǎn)設(shè)定 開啟輸出檔案(*啟 開始量測所需尺寸 檔案輸出結(jié)束 閉 零件 型與零件組立 開 啟新檔 用內(nèi)定模組 (1) 啟綠色本體為主要參考本體 2) 啟紅色零件 紅色零件與綠色零件之間的面能互相貼齊 紅色零件與綠色零件之間的參考軸（自行設(shè)定）能互相對齊 3) 啟黃色零件 紅色零件與黃色零件之間的面能互相貼齊 紅色零件與黃色零件之間的參考軸能互相對齊（位置在剛才做 方） 紅色零 27 件與黃色零件之間的參考軸能互相對齊 4件組立圖（ 1） 圖 4件組立圖（ 2） 快速原型制作 檔：為一封閉的實(shí)體模型，可以是實(shí)體架構(gòu)或是曲面架構(gòu)。 28 ： 案內(nèi)容為許多小三角形平面，它包含了每個(gè)三角形的單位法線向量及頂點(diǎn)座標(biāo)。如圖 轉(zhuǎn)檔流程 圖 4轉(zhuǎn)檔流程（ 1） 圖 4轉(zhuǎn)檔流程（ 2） 29 圖 4轉(zhuǎn)檔流程（ 3） 在轉(zhuǎn)檔時(shí)，紅色框框部分為調(diào) 整弦高度及角度變化量的控制。弦高度需調(diào)整到接近初始設(shè)定的最小值，在此我們?nèi)?度變化量則維持不變。做此設(shè)定，可讓此檔案在做 型時(shí)，避免鋸齒狀的表面產(chǎn)生，并能讓成型面以較圓滑的曲面呈現(xiàn)出來。 前處理：主要目的是調(diào)整加工方位，建立支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)定加工參數(shù)。 圖 4處理 30 型：目前所有 備都是以固