1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上反求設(shè)計與快速制造學(xué) 院 機電工程學(xué)院 專 業(yè) 機械工程 年級班別 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2017年7月專心-專注-專業(yè)逆向工程與快速原型制造技術(shù)1. 逆向工程1.1逆向工程的定義逆向工程技術(shù)（Reverse Engineering ,RE），反求工程、反向工程等，它的思想最初是來自從油泥模型到產(chǎn)品實物的設(shè)計過程，隨后發(fā)展形成一項以先進產(chǎn)品、設(shè)備的實物、樣件、軟件（包括圖樣、程序、技術(shù)文件等）或影像（圖像、照片等）作為研究對象，應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)、生產(chǎn)工程學(xué)、材料學(xué)和有關(guān)專業(yè)知識進行系統(tǒng)分析和研究、探索掌握其關(guān)鍵技術(shù)，進而開發(fā)出同類的更為先進的產(chǎn)品的技術(shù)。作為消

2、化吸收先進技術(shù)的一種手段，在21世紀(jì)90年代初，逆向工程技術(shù)開始引起各國工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視，特別是隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)及測試技術(shù)的發(fā)展，利用CAD/CAM技術(shù)、先進制造技術(shù)來實現(xiàn)產(chǎn)品實物的逆向工程，已成為逆向工程技術(shù)應(yīng)用的主要內(nèi)容。傳統(tǒng)的產(chǎn)品實現(xiàn)通常是從概念設(shè)計到圖樣，再制造出產(chǎn)品，我們稱之為正向工程（或順向工程），而產(chǎn)品的逆向工程是根據(jù)產(chǎn)已有的品（或零件）生成圖樣，再得到產(chǎn)品（或零件）的模型，并以此對已有的產(chǎn)品進行剖析、理解、改進，是對已有設(shè)計的再設(shè)計。另一方面，在產(chǎn)品開發(fā)和制造過程中，雖已廣泛使用計算機幾何造型技術(shù)，但是仍有許多產(chǎn)品，由于種種原因，最初并不是由計算機輔助設(shè)計（Compu

3、ter Aided Design ，CAD）模型，描述的，設(shè)計和制造者面對的是實物樣件。為了適應(yīng)先進制造技術(shù)的發(fā)展，需要通過一定途徑將實物樣件轉(zhuǎn)化為CAD模型，以期利用計算機輔助制造（Computer Aided Manufacture，CAM）、快速原型制造和快速模具（Rapid Prototyping Manufacture/Rapid Tooling，RPM/RT）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM）及計算機集成制造系統(tǒng)（Computer Integrate Manufacture System，CIMS）等先進技術(shù)對其進行處理或管理。“實物逆向工程”

4、（簡稱逆向工程）又可定義為：逆向工程是和將實物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)得數(shù)字化技術(shù)、集合模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。1.2逆向工程的原理逆向工程（Reverse Engineering,RE）是對產(chǎn)品設(shè)計過程的一種描述。在工程技術(shù)人員的一般概念中，產(chǎn)品設(shè)計過程是一個從無到有的過程，即設(shè)計人員首先在大腦中構(gòu)思產(chǎn)品的外形、性能和大致的技術(shù)參數(shù)等，然后通過繪制圖紙建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將這個模型轉(zhuǎn)入到制造流程中，完成產(chǎn)品的整個設(shè)計制造周期。這樣的產(chǎn)品設(shè)計過程我們稱為“正向設(shè)計”過程。逆向工程產(chǎn)品設(shè)計可以認(rèn)為是一個“從有到無”的過程。簡單地說，逆向工程產(chǎn)品設(shè)計就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向

5、推出產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)（包括設(shè)計圖紙或數(shù)字模型）的過程。從這個意義上說，逆向工程在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用已經(jīng)很久了。早期的船舶工業(yè)中常用的船體放樣設(shè)計就是逆向工程的很好實例。隨著計算機技術(shù)在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是數(shù)字化測量技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于測量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術(shù)成為逆向工程技術(shù)關(guān)注的主要對象。逆向工程技術(shù)可以認(rèn)為是將產(chǎn)品樣件轉(zhuǎn)化為三維模型的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)和幾何建模技術(shù)的總稱。逆向工程大致分為五個步驟：(1) 設(shè)計前的準(zhǔn)備工作。設(shè)計之前應(yīng)確定設(shè)計的整體思路，對實物模型進行系統(tǒng)的分析，劃分出模型的特征區(qū)，確定模型的基本構(gòu)成形狀的曲面類型，這些關(guān)系到相關(guān)軟件的選擇和軟件模塊的確定；(2) 零件原形的數(shù)字化

6、。根據(jù)測量對象的特點確定掃描方法以及掃描設(shè)備，利用3D掃描測量設(shè)備來獲取零件實物表面點的三維坐標(biāo)值；(3) 提取零件的幾何特征。按測量數(shù)據(jù)的幾何屬性對其進行分割，分割方法一般可分為兩類，一類是基于邊界分割法，一類是基于區(qū)域分割法。區(qū)域分割法將相似幾何特征的點劃為同一區(qū)域，具有明確的幾何意義，是較為常用的分割方法； (4) 零件CAD模型的重建。將分割后的三維數(shù)據(jù)在CAD系統(tǒng)中分別做表面模型的擬合，并通過表面片的拼接獲取零件實物表面的CAD模型；(5) 重建CAD模型的檢驗與修正。由于測量得到的數(shù)據(jù)點往往存在一些數(shù)字誤差，所以需要對曲面或曲線進行光順處理，提高曲面質(zhì)量。另外還要檢驗重建的CAD模

7、型是否滿足精度或其他試驗性能指標(biāo)的要求，對不滿足要求的應(yīng)進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整修改，直至達到零件的標(biāo)準(zhǔn)。 實物模型數(shù)據(jù)處理STL文件快速原型NC數(shù)據(jù)生成NC加工三維重構(gòu)數(shù)字化測量 逆向工程流程圖1.2.1數(shù)字化測量曲面的數(shù)字化就是在樣件表面提取點的坐標(biāo)值并將其以二維或三維數(shù)據(jù)點集的形式存放起來的過程。曲面的數(shù)字化涉及的主要內(nèi)容是數(shù)據(jù)測量問題，數(shù)據(jù)測量方法主要依據(jù)測量設(shè)備（數(shù)字化測量儀）的不同而不同。目前逆向工程所用曲面的數(shù)字化就是在樣件表面提取點的坐標(biāo)值并將其以二維或三維數(shù)據(jù)點集的形式存放起來的過程。曲面的數(shù)字化涉及的主要內(nèi)容是數(shù)據(jù)測量問題，數(shù)據(jù)測量方法主要依據(jù)測量設(shè)備（數(shù)字化測量儀）的不同而不同。目

8、前逆向工程所采用的數(shù)字化測量儀主要有機械接觸式坐標(biāo)測量機、光學(xué)坐標(biāo)測量機、激光坐標(biāo)測量機。除此之外，還有工業(yè)CT等斷層掃描設(shè)備也廣泛應(yīng)用于逆向工程系統(tǒng)中。根據(jù)不同的測量設(shè)備以及獲取數(shù)據(jù)的不同方法，我們可以把測量分為接觸式和非接觸式兩大類。1.2.2 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理是逆向工程的一個重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，它決定了CAD模型重建過程是否能夠方便、準(zhǔn)確地進行。使用測量設(shè)備測取的三維幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)都是一些離散點的點云數(shù)據(jù)，其中存在著噪聲點，所以還需要相應(yīng)的軟件來處理點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)的處理包括噪聲去除、多視對齊、數(shù)據(jù)精簡、數(shù)據(jù)光順、數(shù)據(jù)分割等諸多方面。目前比較常用的逆向工程軟件有：(1)Geomagic。美國

9、RainDrop(雨點)公司的逆向工程CAD軟件，具有豐富的數(shù)據(jù)處理手段，可以根據(jù)測量數(shù)據(jù)快速構(gòu)造出多張連續(xù)的曲面模型。處理復(fù)雜形狀或自由曲面形狀時，效率比傳統(tǒng)CAD軟件提高了10倍。另外還可為新興應(yīng)用提供理想的選擇，如定制設(shè)備大批量生產(chǎn)、即定即造的生產(chǎn)模式以及原始零部件的自動重造。(2)Imageware。作為UG NX中提供的逆向工程造型軟件，ImageWare具有強大的測量數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測功能。可以處理幾萬至幾百萬的點云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點云數(shù)據(jù)構(gòu)造的A曲面(CLASS A)具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。ImageWare的模型檢測功能可以方便、直觀地顯示所構(gòu)造的曲面模型與實際測量

10、數(shù)據(jù)之間的誤差以及平面度、真圓度等幾何公差。(3)CopyCAD。英國DelCam公司系列CAD產(chǎn)品中的一個，主要處理測量數(shù)據(jù)的曲面造型。作為一個系列產(chǎn)品的一部分，CopyCAD與系列中的其他軟件可以很好地 集成，為用戶的使用提供方便。(4)RapidForm。韓國INUS公司開發(fā)的逆向工程CAD軟件。主要用于處理測量、掃描數(shù)據(jù)的曲面建模以及基于CT數(shù)據(jù)的醫(yī)療圖像建模，還可以完成藝術(shù)品的測量建模以及高級圖形生成。RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、曲面檢測的工具，用戶可以方便地利用以前構(gòu)造的曲線網(wǎng)格經(jīng)過縮放處理后應(yīng)用到新的模型重構(gòu)過程中。1.3逆向工程的應(yīng)用逆向工程是一個迅速發(fā)展的

11、學(xué)科，它覆蓋了許多應(yīng)用領(lǐng)域，概括起來有以下一些具體應(yīng)用：（1）基于實物模型的產(chǎn)品外形設(shè)計。當(dāng)設(shè)計師難以直接用計算機進行某些物體如復(fù)雜的藝術(shù)造型、人體和其他動植物外形等的三維幾何設(shè)計時，常用黏土、木材或泡沫塑料進行初始外形設(shè)計（概念設(shè)計），這就需要通過逆向工程將實物模型轉(zhuǎn)化為三維CAD模型。（2）對現(xiàn)有產(chǎn)品的局部修改。由于工藝、美觀、使用效果等方面的原因，經(jīng)常要對已有的產(chǎn)品做局部修改。在原始設(shè)計沒有三維CAD模型的情況下，若能將實物構(gòu)件通過數(shù)據(jù)測量與處理產(chǎn)生與實際相符的CAD模型，對CAD模型進行修改以后再進行加工，將顯著提高生產(chǎn)效率。因此，逆向工程在改型設(shè)計方面可以發(fā)揮不可替代的作用。（3）對

12、無法得到圖紙的已有產(chǎn)品數(shù)字化。傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品往往無圖紙可用，需要采用逆向工程的方法來實現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)品的數(shù)字化。因此逆向工程技術(shù)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，推動產(chǎn)品更新?lián)Q代，帶動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級的重要手段。（4）對以已有產(chǎn)品為基準(zhǔn)點進行的設(shè)計。借鑒別人的成功設(shè)計并在此基礎(chǔ)上進行產(chǎn)品再創(chuàng)新設(shè)計是在劇烈競爭的市場中趕超同類行業(yè)先進水平的一個重要捷徑，也是當(dāng)今的一條新的設(shè)計理念。（5）磨損或損壞物體的還原。某些大型設(shè)備，如航空發(fā)動機、汽輪機組等，常會因為某一零部件的損壞而停止運行，通過逆向工程手段，可以快速生產(chǎn)這些零部件的替代件，從而提高設(shè)備的利用率和使用壽命。（6）醫(yī)學(xué)模型制作。逆向工程系統(tǒng)可通過CT、MRI等臨床檢測

13、手段獲取人體掃描的分層截面圖像，并將數(shù)據(jù)傳送至RPM系統(tǒng)，制作出人體局部或內(nèi)臟器官的模型。（7）工業(yè)產(chǎn)品無損探傷。借助于層析X射線攝影法(CT 技術(shù))，逆向工程還可以快速發(fā)現(xiàn)、度量、定位物體的內(nèi)部缺陷，從而成為工業(yè)產(chǎn)品無損探傷的重要手段。（8）產(chǎn)品的檢測。通過逆向工程技術(shù)，利用CAD信息自動生成測量程序，通過三坐標(biāo)測量機完成對產(chǎn)品的測量任務(wù)，獲得測量結(jié)果再與CAD信息進行比較來評價產(chǎn)品的加工準(zhǔn)確度。2.快速原型制造2.1快速原型制造的定義速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM）是一種基于離散和材料累加原理的制造新技術(shù)。該技術(shù)突破了制造業(yè)的傳統(tǒng)模式，特

14、別適合于新產(chǎn)品的開發(fā)、單件或少批量產(chǎn)品試制等，是CAD/ CAM技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、CNC 技術(shù)、測試傳感技術(shù)、激光技術(shù)等多種機械、電子技術(shù)、材料技術(shù)和計算機軟件技術(shù)的綜合應(yīng)用，是由CAD模型直接驅(qū)動、快速實現(xiàn)復(fù)雜形狀三維零件的先進制造技術(shù)，在計算機控制和管理下根據(jù)零件CAD模型，采用材料精確堆積 (由點堆積成面，由面堆積成三維實體) 的方法制造原型和零件。2.2快速原型制造的原理理和成形過程是：將計算機產(chǎn)生的CAD實體模型，根據(jù)工藝要求，按一定厚度進行分層，把原來的三維電子模型經(jīng)分層切片軟件處理，形成一系列薄截面層形狀的二維平面信息；再將分層后的二維信息生成數(shù)控代碼，以平面加工方式有順序地連

15、續(xù)加工出每層模型并使它們自動粘結(jié)成形。這種快速成形制造是一種全新的生產(chǎn)方法，其原理突破了傳統(tǒng)的“材料變形成形”和“去除成形”的工藝方法，可在沒有工裝夾具或模具的條件下，迅速制造出任意復(fù)雜形狀的三維實體零件，成形之后，再經(jīng)必要的處理，使其在外觀、強度和性能方面達到零件的設(shè)計要求。它徹底擺脫了“去除法”加工的傳統(tǒng)制造理念，采用全新的“生長法”加工組合，為制造業(yè)帶來了一次技術(shù)革命。因此被認(rèn)為是20世紀(jì)末制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，并有可能成為21世紀(jì)的主流制造技術(shù)。后置處理快速原型制造過程生成STL文件格式CAD模型將模型分層切片快速原型制造過程快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)方法相比具有獨特的優(yōu)點：(1)產(chǎn)品制

16、造過程幾乎與零件的復(fù)雜程度無關(guān)，可實現(xiàn)自由制造 (Free Form Fabrication)；(2)產(chǎn)品的單價幾乎與批量無關(guān)，特別適合于新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的生產(chǎn)；(3)采用非接觸加工方法，無工具更換和磨損；(4)無切割噪聲和振動等，有利于環(huán)保；(5)整個生產(chǎn)過程數(shù)字化，與CAD模型具有直接的關(guān)聯(lián)，零件可大可小，可隨時修改，隨時制造，所見即所得；(6)生產(chǎn)效率高，使CAD模型轉(zhuǎn)換為物理模型的時間縮短80%500%以上。隨著快速原型機廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，各種快速成型技術(shù)隨之產(chǎn)生。包括：立體印刷 (SLA)，分層實體制造 (LOM)，選擇性激光燒結(jié)(SLS)，熔化沉積成形 (FDM)，

17、激光固化成型 (LSL)，固基光敏液相法 (SGC)，三維打印 (3DP)，噴粒法(BPM) 等，這些RPM技術(shù)的共同特征是由材料逐層累加直接從 CAD 數(shù)據(jù)生成產(chǎn)品模型。3.快速原型制造中的逆向工程快速原型制造中的逆向工程，就是通過各種手段對實物進行三維測量，獲得樣件的數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)、功能、材料等，輸入到計算機中進行處理，利用測量數(shù)據(jù)建立其三維CAD模型。借助逆向工程、快速原型制造技術(shù)可以用來快速復(fù)制實物，包括放大、縮小、修改等，也可以對已有產(chǎn)品進行創(chuàng)新設(shè)計。還可以方便地對快速原型制造技術(shù)本身制得的原型產(chǎn)品進行快速、準(zhǔn)確得測量，用來驗證由三維CAD設(shè)計而制零件與原設(shè)計得吻合程度，找出產(chǎn)品設(shè)計中的不足，重新設(shè)計，使產(chǎn)品更加完善，由此可見，在快速原型制造中引入逆向工程，形成快速設(shè)計制造的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮快速原型制造系統(tǒng)的優(yōu)勢，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，一般的快速原型制造系統(tǒng)都有配套的逆向工程系統(tǒng)。逆向技術(shù)在RP中的應(yīng)用主要涉及3個方面：(1)用逆向技術(shù)直接生成STL文件，供RP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件直接使用，產(chǎn)生NC代碼；(2)利用逆向技術(shù)生成層