第5章數(shù)據(jù)準備與處理5.1順向工程與逆向工程第5章數(shù)據(jù)準備與處理5.1順向工程與逆向工程15.1.1順向工程通常的途徑都是通過反求工程。反求工程通常是以工程方式執(zhí)行某一模型的復(fù)制工作。往往一件擬制的產(chǎn)品沒有原始設(shè)計圖文件，而是委托單位交付一件樣品或模型，請制作單位復(fù)制出來。傳統(tǒng)的復(fù)制方法是用立體雕刻機或液壓式三維靠模銑床制作出1:1成等比例的模具，再進行批量生產(chǎn)。這種方法屬模擬式復(fù)制，無法建立工件尺寸圖檔，也無法作任何的外形修改，已漸漸為新型的數(shù)字化逆向工程所取代。5.1.1順向2

傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品均是按照嚴謹?shù)难芯块_發(fā)流程，從確定功能與規(guī)格的預(yù)期指標開始，構(gòu)思產(chǎn)品的組件，然后進行各個組件的設(shè)計、制造以及檢驗，再經(jīng)過組裝、整機檢驗、性能測試等程序來完成。每個組件都有原始的設(shè)計圖紙，目前廣泛使用CAD來對此設(shè)計圖紙存檔。

傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品均是按照嚴謹?shù)难芯块_發(fā)流程，從確3這種開發(fā)模式稱為預(yù)定模式，此類開發(fā)工程亦通稱為順向工程。規(guī)格確定設(shè)計制造檢驗圖5-1組件的順向工程開發(fā)流程圖這種開發(fā)模式稱為預(yù)定模式，此類開發(fā)工程亦通稱為順4

然而，隨著工業(yè)技術(shù)的進步以及經(jīng)濟環(huán)境的發(fā)展，任何通用性產(chǎn)品在消費者高質(zhì)量要求下，功能上的需求已不再是贏得市場競爭力的唯一條件。在近代高功能CAD軟件的帶動下，“工業(yè)設(shè)計”的新興領(lǐng)域已逐漸受到重視，任何產(chǎn)品不僅是功能上要求先進，在產(chǎn)品外觀上也需要做造型設(shè)計，已吸引消費者的注意力。此造型設(shè)計多指產(chǎn)品的外形美觀化處理，在順向工程的流程中受傳統(tǒng)訓(xùn)練的機械工程師們不能勝任。然而，隨著工業(yè)技術(shù)的進步以及經(jīng)濟環(huán)境的發(fā)展，任5

而工業(yè)設(shè)計師則可利用概念設(shè)計的思想創(chuàng)新出美觀外形，再以手工方式塑造出模型，如木模、石膏模、黏土模、蠟?zāi)５?，然后再通過三維測量來建立自有曲面模型的CAD圖形文件。這個程序已有逆向工程的觀念，但仍屬順向工程。而工業(yè)設(shè)計師則可利用概念設(shè)計的思想創(chuàng)新出美觀外6CAD造型設(shè)計模型塑造3D外形測量模具設(shè)計產(chǎn)品加工圖4-2順向工程中的產(chǎn)品造型設(shè)計加工流程圖CAD模型3D模具產(chǎn)品圖4-2順向工程中的產(chǎn)品造型設(shè)計加75.2逆向工程

目前所謂的逆向工程(ReverseEngineering)，就是針對一現(xiàn)有的工件（樣品或模型，尤其適合復(fù)雜不規(guī)則的自由曲面），利用3D數(shù)字化測量儀器準確、快速地測量出輪廓坐標值，并在CAD系統(tǒng)中構(gòu)建曲面，經(jīng)編輯、修改后，再由CAM生成刀具的NC加工路徑，送至CNC加工中心制作所需模具或零件，或者以快速成型機將樣品復(fù)制出來。見圖5—1逆向工程流程圖。5.2逆向工程目前所謂的逆向工程(ReverseE8

圖5-3逆向工程流程圖圖5-3逆向工程流程圖9實體或原型表面掃描與內(nèi)部構(gòu)造斷層掃描已成為目前快速原型制造技術(shù)中常用方法。通過討論反求工程的概念與測量方法，分析各種方法的測量原理、特點，闡述實體數(shù)據(jù)測量與反求在材料快速原型制造中的應(yīng)用意義與前景，是發(fā)揮快速原型制造技術(shù)特長的重要手段。目前，數(shù)控測量和工業(yè)CT技術(shù)可得到已有零件或零件模型的一系列橫斷面信息，多種掃描系統(tǒng)可以實現(xiàn)全自動掃描，支持多語言菜單和掃描數(shù)據(jù)的多種處理，能夠輸出不同格式的數(shù)據(jù)到CAD／CAM系統(tǒng)中，并生成適配不同數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控加工程序。5.2.1實體數(shù)據(jù)測量與反求的概念

實體或原型表面掃描與內(nèi)部構(gòu)造斷層掃描已成為目前10對于大多數(shù)產(chǎn)品來說，都可以在通用的CAD軟件(如AutocAD、Pro/E等)設(shè)計出它們的三維模型，求得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，另一方面，我們還需要對已知的產(chǎn)品樣件進行復(fù)制或仿制加工，或進行產(chǎn)品的再設(shè)計和改進。在某些情況下，由于存在多種需要考慮的因素，如功能、工藝、外觀等，使得一些零件的形狀十分復(fù)雜。很難準確地在CAD軟件上設(shè)計出它們的實體模型，因此，必須先制造出產(chǎn)品的小比例或真實比例的實物模型，如木模、陶模等，然后測量實物模型。通過測量，獲取三維實體模型數(shù)據(jù)并在計算機中處理。對于大多數(shù)產(chǎn)品來說，都可以在通用的CAD軟件(11

快速原型制造中的反求工程(ReverseEngineering)，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，見圖4—2。圖4-4快速原型制造與反求工程快速原型制造中的反求工程(ReverseE12反求的特點是測量速度快，可測量內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，與CAD銜接得好，建模能力就會提高。如果采用傳統(tǒng)的設(shè)計、制造方法，設(shè)計者根據(jù)樣品借助三坐標測量機或其他測量設(shè)備，在CAD／CAM系統(tǒng)中產(chǎn)生樣品的三維模型。隨著樣品復(fù)雜程度的提高，產(chǎn)生三維模型的周期便會加長，而且由于測量及基準不一致所造成的誤差，導(dǎo)致產(chǎn)生的三維模型在制造出來之后與樣品嚴重不符，無法滿足用戶要求。如果要返修，則大大延長了制造周期，使用戶蒙受更大經(jīng)濟損失。利用快速原型技術(shù)，可以產(chǎn)生與樣品完全一致的三維原型和產(chǎn)品，并可大大縮短制作成本和制造周期。反求的特點是測量速度快，可測量內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，13

借助反求工程，快速原型制造技術(shù)不僅可以在原始設(shè)計的基礎(chǔ)上生成實物，也可用來快速復(fù)制實物，包括放大、縮小、修改和復(fù)制等，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、準確的測量，用來驗證中三維CAD設(shè)計而制得的原型或零件與原設(shè)計的吻合程度，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?？梢姡诳焖僭煨图夹g(shù)中引入反求工程，形成了一個包括設(shè)計、制造、檢測的快速設(shè)計制造的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，這樣可以充分發(fā)揮快速原型制造的優(yōu)勢，拓寬這一技術(shù)的應(yīng)用范圍；正因如此，一般的快速成型系統(tǒng)都有配套的快速反求工程系統(tǒng)。借助反求工程，快速原型制造技術(shù)不僅可以在原始設(shè)14

一套完整的逆向工程系統(tǒng)，需要有以下基本配置：1.測量測頭有接觸式（觸發(fā)測頭、掃描測頭）和非接觸式（激光位移測頭、激光干涉儀測頭、線結(jié)構(gòu)光及CCD掃描測頭、面結(jié)構(gòu)光及CCD掃描測頭）兩種。2.測量機有三坐標測量機、激光掃描儀、零件斷層掃描儀等。3.點云數(shù)據(jù)處理軟件進行噪聲點濾除、細線化、曲線建構(gòu)、曲面建構(gòu)、曲面修改、內(nèi)插值補點等。

一套完整的逆向工程系統(tǒng)，需要有以下基本配置：154.CAD/CAM軟件一般PC級或工作站級CAD/CAM系統(tǒng)。5.CAE軟件執(zhí)行各種分析，增強設(shè)計成功率。6.CNC機床執(zhí)行原型制作或模具制作。7.快速成型機原型制作（SLA、SLS、LOM、FDM等工藝）。8.批量生產(chǎn)設(shè)備包括擠出機、注塑機、鈑金成型機等。4.CAD/CAM軟件16

實體三維數(shù)據(jù)測量通常采用的儀器是三維數(shù)字化儀，包括三坐標測量儀、三維激光數(shù)字化儀、工業(yè)CT和MRI，以及剛問世的自動斷層掃描儀。用三維數(shù)字化儀采集三維實物信息，在計算機中還原生成實物的三維模型，必要時用三維CAD軟件進行修改和縮放，三維實體資料可以輸出為IGES或STL、STEP文件格式，從而可直接用材料去除法或材料添加法加工制作出相應(yīng)的模型、模具或零件。實體三維數(shù)據(jù)測量通常采用的儀器是三維數(shù)字化儀，17

在反求分析之后，應(yīng)進行反求設(shè)計，反求設(shè)計可采用價值工程、優(yōu)化設(shè)計、人機工程學(xué)、相似理論、精度設(shè)計、動態(tài)設(shè)計、可靠性設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計工具來進行。對于快速原型制造技本來說，最主要的反求目的在于獲得產(chǎn)品的幾何造型與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。通過各種三維數(shù)字化儀得到零件造型和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)后，可以借助三維重構(gòu)技術(shù)在CAD軟件中重新編輯再轉(zhuǎn)換成STL文件，進行三維離散化并送到成型機生成實物，也可將測量數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成STL文件為快速原型制造設(shè)備所用；在反求分析之后，應(yīng)進行反求設(shè)計，反求設(shè)計可采用價18

日本開發(fā)了從MRI、CT重構(gòu)三維實體的軟件，英、法等國能將掃描數(shù)據(jù)在數(shù)控設(shè)備上復(fù)制，美國開發(fā)了CT可視化可轉(zhuǎn)成IGES的軟件。國內(nèi)在反求工程與快速原型制造技術(shù)的結(jié)合方面已取得了成功。清華大學(xué)進行了圖像反求、CT反求，西安交通大學(xué)進行CT反求，并開發(fā)出激光掃描測量原型系統(tǒng)。日本開發(fā)了從MRI、CT重構(gòu)三維實體的軟件，英、195.2.2反求的目的和內(nèi)容

實現(xiàn)快速原型制造是數(shù)據(jù)采集與反求的目的，也是實現(xiàn)復(fù)制或仿制的最佳方案。無論用哪種快速造型工藝，其關(guān)鍵的一步就在于用反求工程獲得產(chǎn)品的三維實體模型。5.2.2反求的目的和內(nèi)容實現(xiàn)快速原型制造是20

根據(jù)反求對象的不同，可以采用整機反求、部件反求和零件反求。實物反求分析法一般包括反求分析和反求設(shè)計兩個方法，主要內(nèi)容有以下幾項：根據(jù)反求對象的不同，可以采用整機反求、部件反求和21

(1)探索產(chǎn)品設(shè)計的指導(dǎo)思想不同公司、不同產(chǎn)品的設(shè)計指導(dǎo)思想都不相同，如有的公司重功能全，有的注重低成本，有的重視環(huán)保問題(如節(jié)省資源、減少污染、回收利用等)，有的注重模塊化設(shè)計。設(shè)計的指導(dǎo)思想不同，得出的設(shè)計方案必然不同。所以，掌握產(chǎn)品設(shè)計指導(dǎo)思想是分析了解整個產(chǎn)品設(shè)計的前提。(1)探索產(chǎn)品設(shè)計的指導(dǎo)思想22

(2)功能和原理方案分析各種產(chǎn)品都有一定的功能要求。所以，功能分析是產(chǎn)品設(shè)計的核心問題，不同的功能可以得出不同的原理方案，而同一功能亦可用不同的原理方案來保證，產(chǎn)品的功能可分為使用功能和美學(xué)功能。使用功能一般實現(xiàn)能量、物料和信號的轉(zhuǎn)換。通過對反求對象的功能實質(zhì)的理解，在設(shè)計時才有可能得到更合理的原理方案。(2)功能和原理方案分析23

(3)結(jié)構(gòu)分析和形體尺寸分析零部件的結(jié)構(gòu)是功能原理的具體體現(xiàn)，與加工使用及生產(chǎn)成本有密切關(guān)系，應(yīng)從保證功能、提高性能(強度、剛度、精度壽命、磨損、噪聲等)、降低成本(工藝、裝配、選材等)、提高安全可靠性等方面分析反求對象的結(jié)構(gòu)特點。在實物測繪的基礎(chǔ)上，通過分析和計算確定形體尺寸。(3)結(jié)構(gòu)分析和形體尺寸分析24(4)精度分析精度分析是反求工程中的重要問題，精度是衡量反求對象性能的重要指標，是評價反求設(shè)計質(zhì)量的主要參數(shù)之一。一般情況下，零件的幾何形狀和尺寸均可通過實物測繪得到，但精度卻不可能。因此，要掌握正確的方法來反求精度。否則，反求設(shè)計的產(chǎn)品的質(zhì)量永遠無法達到原設(shè)計的質(zhì)量。(4)精度分析25

(5)材料分析根據(jù)零件的功能和工藝特點分析確定零件材料和熱處理方式。一般情況下，可采用外觀比較、質(zhì)量測定、硬度測定、化學(xué)分析、光譜分析等各種方法對材料的物理性能、化學(xué)成分、熱處理及表面情況進行全面鑒定。(5)材料分析26

(6)工作性能分析針對產(chǎn)品的工作特點及其主要性能進行試驗測定，反復(fù)計算和深入地分析，掌握其設(shè)計準則和設(shè)計規(guī)范。對產(chǎn)品的運動特性、力學(xué)特性進行靜態(tài)、動態(tài)的全面分析。(6)工作性能分析27

(7)造型設(shè)計分析對產(chǎn)品的外形構(gòu)造、色彩等進行分析，從適合顧客心理需要、提高商品價值的角度分析造型及色彩設(shè)計的優(yōu)點和不足之處。

(8)制造工藝分析先進的設(shè)備和產(chǎn)品，主要是先進加工工藝和裝配工藝先進。如果通過反求技術(shù)求得這些工藝訣竅，就可為新設(shè)計產(chǎn)品打下良好的基礎(chǔ)。(7)造型設(shè)計分析28(9)使用和維修分析研究分析先進設(shè)備和產(chǎn)品在好用和好修方面采取了哪些措施。(10)包裝技術(shù)分析產(chǎn)品的包裝已成為產(chǎn)品設(shè)計的重要方面。所以，在反求過程中，應(yīng)研究產(chǎn)品的包裝、防潮、防霉、防銹等方面的技術(shù)。(9)使用和維修分析295.2.3實體數(shù)據(jù)測量與反求方法

反求工程采用的測量方法主要有三種：一是傳統(tǒng)的接觸式測量法，如三坐標測量法；二是無接觸測量法、如投影光柵法、激光三角形法、全息法、深度圖像三維測量法；三是逐層掃描測量法，如工業(yè)CT法、核磁共振成像法(MRI)、自動斷層掃描法等。也有一種破壞性的、與逐層累加相反的方法，即逐層去除測量法。這種方法雖然破壞零件，但取得的數(shù)據(jù)精度高，在很多情況下也有應(yīng)用。5.2.3實體數(shù)據(jù)測量與反求方法

反求工程采用的30

這些方法都有各自的特點和應(yīng)用范圍，具體選用何種測量方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)根據(jù)被測物體的形體特征和應(yīng)用目的來決定。這些測量方法應(yīng)用于快速成型時各有優(yōu)缺點。一個與快速成型技術(shù)完全匹配的反求工程系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點：這些方法都有各自的特點和應(yīng)用范圍，具體選用何種31①測量速度快，精度高(±10μm)；②能測量內(nèi)外輪廓，最好不破壞樣件；③能把測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAD模型；④具有把CAD模型文件轉(zhuǎn)換成STL文件的功能，并能直接切片；⑤能自動化測量，且成本低。3D打印技術(shù)數(shù)據(jù)處理5匯總課件32

可以說，到現(xiàn)在為止，還沒有找到一種完全適用于快速成型技術(shù)的快速、精確的反求測量方法。隨著計算機及光電技術(shù)的發(fā)展，以計算機圖像處理為主要手段的無接觸式測量技術(shù)，將投影光柵法和激光三角形法用于快速原型制造技術(shù)的反求測量方法正在迅速發(fā)展?？梢哉f，到現(xiàn)在為止，還沒有找到一種完全適用于快速33

一、接觸式測量接觸式測量有以下優(yōu)點：⑴因接觸式測頭發(fā)展已有幾十年了，其機械結(jié)構(gòu)及電子系統(tǒng)已相當(dāng)成熟，故有較高的準確性和可靠性。⑵接觸式測量為測頭直接接觸工件表面，故與工件表面的反射特性、顏色及曲率關(guān)系不大。⑶被測物體固定在三坐標測量機上，并配合測量軟件，可快速準確地測量出物體的基本幾何形狀，如面、圓、圓柱、圓錐、圓球等。一、接觸式測量34接觸式測量存在以下缺點：⑴為了確定測量基準點而使用特殊的夾具，會導(dǎo)致較高的測量費用。不同形狀的產(chǎn)品會造成原來的夾具不適用而使成本大幅度增加。⑵在測量零件不同位置及形狀時可能需要更換探針，因此需要經(jīng)常校正探針，并作半徑補償。⑶接觸式觸發(fā)測頭是以逐點進出方式進行測量的，所以測量速度慢。

接觸式測量存在以下缺點：35⑷接觸測頭在測量時，接觸測頭的力將使測頭尖端部分與被測件之間發(fā)生局部變形而影響測量值的實際讀數(shù)。因此，接觸式測頭不適合于測量軟性材料。⑸另外，測頭接觸力即使一定，而測量壓力并不能保證一定，這是因為接觸面積與工件表面紋路的幾何形狀有關(guān)，不能保證為一樣。⑹測頭系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)存在靜態(tài)及動態(tài)誤差。⑷接觸測頭在測量時，接觸測頭的力將使測頭尖端部分與被測件36

二、非接觸式測量

近年來，隨著計算機及光電技術(shù)的發(fā)展，使得激光及光學(xué)在測量領(lǐng)域中的應(yīng)用有了重大突破，開啟了現(xiàn)代非接觸式測量的時代。

二、非接觸式測量

近年來，隨著計算機及光電技37非接觸式測量主要有以下優(yōu)點：⑴不必做測頭半徑補償，因為激光光點位置就是工件表面的位置。⑵測量速度非?？?，不必像接觸觸發(fā)測頭那樣逐點進出測量，曲面數(shù)據(jù)獲取容易。⑶軟工件、薄工件、易碎工件、不可接觸的高精密工件可直接測量。非接觸式測量主要有以下優(yōu)點：38非接觸式測量主要缺點如下：⑴測量精度較差，因非接觸式測頭大多使用光敏位置探測器PSD來檢測光點位置，目前的PSD的精度仍不夠，約為20μm。⑵因非接觸式測頭大多是接收工件表面的反射光或散射光，易受工件表面的反射特性的影響，如顏色、斜率等。⑶PSD易受環(huán)境光線及雜散光影響，故噪聲較高，噪聲信號的處理比較困難。非接觸式測量主要缺點如下：39⑷非接觸式測量只做工件輪廓坐標點的大量取樣，對邊線處理、凹坑處理以及不連續(xù)形狀的處理較困難。陡峭面不易測量，激光無法照射到的地方便無法測量。⑸使用CCD(電荷藕合器件圖像傳感器)作探測器時，成像鏡頭的焦距會影響測量精度，因工件幾何外形變化大時成像會失焦，成像模糊。⑹工件表面的粗糙度會影響測量結(jié)果。⑷非接觸式測量只做工件輪廓坐標點的大量取樣，對邊線處理、凹405.2.4測量數(shù)據(jù)處理與誤差修正

測量數(shù)據(jù)處理在反求工程中占有極為重要的地位。測量系統(tǒng)可得到復(fù)雜曲面上大量密集的原始測量數(shù)據(jù)，一個三維實體的數(shù)據(jù)量往往高達幾兆、幾十兆甚至上百兆；這些數(shù)據(jù)之間通常沒有相應(yīng)的顯式拓撲關(guān)系，只是一大群空間散亂點(數(shù)據(jù)點云)，其中還包括大量無用數(shù)據(jù)。因此，首先必須對數(shù)據(jù)進行濾波、擬合、重建和消隱處理，然后通過適當(dāng)?shù)乃惴?，把這些經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)擬合成CAD模型。5.2.4測量數(shù)據(jù)處理與誤差修正測量數(shù)據(jù)處41

一般的通用CAD軟件都有把測量數(shù)據(jù)擬合成CAD模型的能力。形成STL文件后。切割此文件，得到所需的切片數(shù)據(jù)。另一種方法是直接生成STL文件。目前，許多三維重構(gòu)或光照模型軟件采用的都是三角形表面化算法，只需將這些三角形片轉(zhuǎn)換成STL文件格式即可。這種方法較第一種方法簡單，轉(zhuǎn)換過程少，精度高，但不容易加支撐。因而不宜在SLA、FDM等工藝中使用。從目前反求工程的發(fā)展水平來看，還不能完全適應(yīng)快速原型制造技術(shù)的要求，無論是測量方法，還是數(shù)據(jù)處理技術(shù)，都有待提高和發(fā)展。一般的通用CAD軟件都有把測量數(shù)據(jù)擬合成CAD42第5章數(shù)據(jù)準備與處理5.1順向工程與逆向工程第5章數(shù)據(jù)準備與處理5.1順向工程與逆向工程435.1.1順向工程通常的途徑都是通過反求工程。反求工程通常是以工程方式執(zhí)行某一模型的復(fù)制工作。往往一件擬制的產(chǎn)品沒有原始設(shè)計圖文件，而是委托單位交付一件樣品或模型，請制作單位復(fù)制出來。傳統(tǒng)的復(fù)制方法是用立體雕刻機或液壓式三維靠模銑床制作出1:1成等比例的模具，再進行批量生產(chǎn)。這種方法屬模擬式復(fù)制，無法建立工件尺寸圖檔，也無法作任何的外形修改，已漸漸為新型的數(shù)字化逆向工程所取代。5.1.1順向44

傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品均是按照嚴謹?shù)难芯块_發(fā)流程，從確定功能與規(guī)格的預(yù)期指標開始，構(gòu)思產(chǎn)品的組件，然后進行各個組件的設(shè)計、制造以及檢驗，再經(jīng)過組裝、整機檢驗、性能測試等程序來完成。每個組件都有原始的設(shè)計圖紙，目前廣泛使用CAD來對此設(shè)計圖紙存檔。

傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品均是按照嚴謹?shù)难芯块_發(fā)流程，從確45這種開發(fā)模式稱為預(yù)定模式，此類開發(fā)工程亦通稱為順向工程。規(guī)格確定設(shè)計制造檢驗圖5-1組件的順向工程開發(fā)流程圖這種開發(fā)模式稱為預(yù)定模式，此類開發(fā)工程亦通稱為順46

然而，隨著工業(yè)技術(shù)的進步以及經(jīng)濟環(huán)境的發(fā)展，任何通用性產(chǎn)品在消費者高質(zhì)量要求下，功能上的需求已不再是贏得市場競爭力的唯一條件。在近代高功能CAD軟件的帶動下，“工業(yè)設(shè)計”的新興領(lǐng)域已逐漸受到重視，任何產(chǎn)品不僅是功能上要求先進，在產(chǎn)品外觀上也需要做造型設(shè)計，已吸引消費者的注意力。此造型設(shè)計多指產(chǎn)品的外形美觀化處理，在順向工程的流程中受傳統(tǒng)訓(xùn)練的機械工程師們不能勝任。然而，隨著工業(yè)技術(shù)的進步以及經(jīng)濟環(huán)境的發(fā)展，任47

而工業(yè)設(shè)計師則可利用概念設(shè)計的思想創(chuàng)新出美觀外形，再以手工方式塑造出模型，如木模、石膏模、黏土模、蠟?zāi)５龋缓笤偻ㄟ^三維測量來建立自有曲面模型的CAD圖形文件。這個程序已有逆向工程的觀念，但仍屬順向工程。而工業(yè)設(shè)計師則可利用概念設(shè)計的思想創(chuàng)新出美觀外48CAD造型設(shè)計模型塑造3D外形測量模具設(shè)計產(chǎn)品加工圖4-2順向工程中的產(chǎn)品造型設(shè)計加工流程圖CAD模型3D模具產(chǎn)品圖4-2順向工程中的產(chǎn)品造型設(shè)計加495.2逆向工程

目前所謂的逆向工程(ReverseEngineering)，就是針對一現(xiàn)有的工件（樣品或模型，尤其適合復(fù)雜不規(guī)則的自由曲面），利用3D數(shù)字化測量儀器準確、快速地測量出輪廓坐標值，并在CAD系統(tǒng)中構(gòu)建曲面，經(jīng)編輯、修改后，再由CAM生成刀具的NC加工路徑，送至CNC加工中心制作所需模具或零件，或者以快速成型機將樣品復(fù)制出來。見圖5—1逆向工程流程圖。5.2逆向工程目前所謂的逆向工程(ReverseE50

圖5-3逆向工程流程圖圖5-3逆向工程流程圖51實體或原型表面掃描與內(nèi)部構(gòu)造斷層掃描已成為目前快速原型制造技術(shù)中常用方法。通過討論反求工程的概念與測量方法，分析各種方法的測量原理、特點，闡述實體數(shù)據(jù)測量與反求在材料快速原型制造中的應(yīng)用意義與前景，是發(fā)揮快速原型制造技術(shù)特長的重要手段。目前，數(shù)控測量和工業(yè)CT技術(shù)可得到已有零件或零件模型的一系列橫斷面信息，多種掃描系統(tǒng)可以實現(xiàn)全自動掃描，支持多語言菜單和掃描數(shù)據(jù)的多種處理，能夠輸出不同格式的數(shù)據(jù)到CAD／CAM系統(tǒng)中，并生成適配不同數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控加工程序。5.2.1實體數(shù)據(jù)測量與反求的概念

實體或原型表面掃描與內(nèi)部構(gòu)造斷層掃描已成為目前52對于大多數(shù)產(chǎn)品來說，都可以在通用的CAD軟件(如AutocAD、Pro/E等)設(shè)計出它們的三維模型，求得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，另一方面，我們還需要對已知的產(chǎn)品樣件進行復(fù)制或仿制加工，或進行產(chǎn)品的再設(shè)計和改進。在某些情況下，由于存在多種需要考慮的因素，如功能、工藝、外觀等，使得一些零件的形狀十分復(fù)雜。很難準確地在CAD軟件上設(shè)計出它們的實體模型，因此，必須先制造出產(chǎn)品的小比例或真實比例的實物模型，如木模、陶模等，然后測量實物模型。通過測量，獲取三維實體模型數(shù)據(jù)并在計算機中處理。對于大多數(shù)產(chǎn)品來說，都可以在通用的CAD軟件(53

快速原型制造中的反求工程(ReverseEngineering)，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，見圖4—2。圖4-4快速原型制造與反求工程快速原型制造中的反求工程(ReverseE54反求的特點是測量速度快，可測量內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，與CAD銜接得好，建模能力就會提高。如果采用傳統(tǒng)的設(shè)計、制造方法，設(shè)計者根據(jù)樣品借助三坐標測量機或其他測量設(shè)備，在CAD／CAM系統(tǒng)中產(chǎn)生樣品的三維模型。隨著樣品復(fù)雜程度的提高，產(chǎn)生三維模型的周期便會加長，而且由于測量及基準不一致所造成的誤差，導(dǎo)致產(chǎn)生的三維模型在制造出來之后與樣品嚴重不符，無法滿足用戶要求。如果要返修，則大大延長了制造周期，使用戶蒙受更大經(jīng)濟損失。利用快速原型技術(shù)，可以產(chǎn)生與樣品完全一致的三維原型和產(chǎn)品，并可大大縮短制作成本和制造周期。反求的特點是測量速度快，可測量內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，55

借助反求工程，快速原型制造技術(shù)不僅可以在原始設(shè)計的基礎(chǔ)上生成實物，也可用來快速復(fù)制實物，包括放大、縮小、修改和復(fù)制等，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、準確的測量，用來驗證中三維CAD設(shè)計而制得的原型或零件與原設(shè)計的吻合程度，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?？梢?，在快速造型技術(shù)中引入反求工程，形成了一個包括設(shè)計、制造、檢測的快速設(shè)計制造的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，這樣可以充分發(fā)揮快速原型制造的優(yōu)勢，拓寬這一技術(shù)的應(yīng)用范圍；正因如此，一般的快速成型系統(tǒng)都有配套的快速反求工程系統(tǒng)。借助反求工程，快速原型制造技術(shù)不僅可以在原始設(shè)56

一套完整的逆向工程系統(tǒng)，需要有以下基本配置：1.測量測頭有接觸式（觸發(fā)測頭、掃描測頭）和非接觸式（激光位移測頭、激光干涉儀測頭、線結(jié)構(gòu)光及CCD掃描測頭、面結(jié)構(gòu)光及CCD掃描測頭）兩種。2.測量機有三坐標測量機、激光掃描儀、零件斷層掃描儀等。3.點云數(shù)據(jù)處理軟件進行噪聲點濾除、細線化、曲線建構(gòu)、曲面建構(gòu)、曲面修改、內(nèi)插值補點等。

一套完整的逆向工程系統(tǒng)，需要有以下基本配置：574.CAD/CAM軟件一般PC級或工作站級CAD/CAM系統(tǒng)。5.CAE軟件執(zhí)行各種分析，增強設(shè)計成功率。6.CNC機床執(zhí)行原型制作或模具制作。7.快速成型機原型制作（SLA、SLS、LOM、FDM等工藝）。8.批量生產(chǎn)設(shè)備包括擠出機、注塑機、鈑金成型機等。4.CAD/CAM軟件58

實體三維數(shù)據(jù)測量通常采用的儀器是三維數(shù)字化儀，包括三坐標測量儀、三維激光數(shù)字化儀、工業(yè)CT和MRI，以及剛問世的自動斷層掃描儀。用三維數(shù)字化儀采集三維實物信息，在計算機中還原生成實物的三維模型，必要時用三維CAD軟件進行修改和縮放，三維實體資料可以輸出為IGES或STL、STEP文件格式，從而可直接用材料去除法或材料添加法加工制作出相應(yīng)的模型、模具或零件。實體三維數(shù)據(jù)測量通常采用的儀器是三維數(shù)字化儀，59

在反求分析之后，應(yīng)進行反求設(shè)計，反求設(shè)計可采用價值工程、優(yōu)化設(shè)計、人機工程學(xué)、相似理論、精度設(shè)計、動態(tài)設(shè)計、可靠性設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計工具來進行。對于快速原型制造技本來說，最主要的反求目的在于獲得產(chǎn)品的幾何造型與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。通過各種三維數(shù)字化儀得到零件造型和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)后，可以借助三維重構(gòu)技術(shù)在CAD軟件中重新編輯再轉(zhuǎn)換成STL文件，進行三維離散化并送到成型機生成實物，也可將測量數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成STL文件為快速原型制造設(shè)備所用；在反求分析之后，應(yīng)進行反求設(shè)計，反求設(shè)計可采用價60

日本開發(fā)了從MRI、CT重構(gòu)三維實體的軟件，英、法等國能將掃描數(shù)據(jù)在數(shù)控設(shè)備上復(fù)制，美國開發(fā)了CT可視化可轉(zhuǎn)成IGES的軟件。國內(nèi)在反求工程與快速原型制造技術(shù)的結(jié)合方面已取得了成功。清華大學(xué)進行了圖像反求、CT反求，西安交通大學(xué)進行CT反求，并開發(fā)出激光掃描測量原型系統(tǒng)。日本開發(fā)了從MRI、CT重構(gòu)三維實體的軟件，英、615.2.2反求的目的和內(nèi)容

實現(xiàn)快速原型制造是數(shù)據(jù)采集與反求的目的，也是實現(xiàn)復(fù)制或仿制的最佳方案。無論用哪種快速造型工藝，其關(guān)鍵的一步就在于用反求工程獲得產(chǎn)品的三維實體模型。5.2.2反求的目的和內(nèi)容實現(xiàn)快速原型制造是62

根據(jù)反求對象的不同，可以采用整機反求、部件反求和零件反求。實物反求分析法一般包括反求分析和反求設(shè)計兩個方法，主要內(nèi)容有以下幾項：根據(jù)反求對象的不同，可以采用整機反求、部件反求和63

(1)探索產(chǎn)品設(shè)計的指導(dǎo)思想不同公司、不同產(chǎn)品的設(shè)計指導(dǎo)思想都不相同，如有的公司重功能全，有的注重低成本，有的重視環(huán)保問題(如節(jié)省資源、減少污染、回收利用等)，有的注重模塊化設(shè)計。設(shè)計的指導(dǎo)思想不同，得出的設(shè)計方案必然不同。所以，掌握產(chǎn)品設(shè)計指導(dǎo)思想是分析了解整個產(chǎn)品設(shè)計的前提。(1)探索產(chǎn)品設(shè)計的指導(dǎo)思想64

(2)功能和原理方案分析各種產(chǎn)品都有一定的功能要求。所以，功能分析是產(chǎn)品設(shè)計的核心問題，不同的功能可以得出不同的原理方案，而同一功能亦可用不同的原理方案來保證，產(chǎn)品的功能可分為使用功能和美學(xué)功能。使用功能一般實現(xiàn)能量、物料和信號的轉(zhuǎn)換。通過對反求對象的功能實質(zhì)的理解，在設(shè)計時才有可能得到更合理的原理方案。(2)功能和原理方案分析65

(3)結(jié)構(gòu)分析和形體尺寸分析零部件的結(jié)構(gòu)是功能原理的具體體現(xiàn)，與加工使用及生產(chǎn)成本有密切關(guān)系，應(yīng)從保證功能、提高性能(強度、剛度、精度壽命、磨損、噪聲等)、降低成本(工藝、裝配、選材等)、提高安全可靠性等方面分析反求對象的結(jié)構(gòu)特點。在實物測繪的基礎(chǔ)上，通過分析和計算確定形體尺寸。(3)結(jié)構(gòu)分析和形體尺寸分析66(4)精度分析精度分析是反求工程中的重要問題，精度是衡量反求對象性能的重要指標，是評價反求設(shè)計質(zhì)量的主要參數(shù)之一。一般情況下，零件的幾何形狀和尺寸均可通過實物測繪得到，但精度卻不可能。因此，要掌握正確的方法來反求精度。否則，反求設(shè)計的產(chǎn)品的質(zhì)量永遠無法達到原設(shè)計的質(zhì)量。(4)精度分析67

(5)材料分析根據(jù)零件的功能和工藝特點分析確定零件材料和熱處理方式。一般情況下，可采用外觀比較、質(zhì)量測定、硬度測定、化學(xué)分析、光譜分析等各種方法對材料的物理性能、化學(xué)成分、熱處理及表面情況進行全面鑒定。(5)材料分析68

(6)工作性能分析針對產(chǎn)品的工作特點及其主要性能進行試驗測定，反復(fù)計算和深入地分析，掌握其設(shè)計準則和設(shè)計規(guī)范。對產(chǎn)品的運動特性、力學(xué)特性進行靜態(tài)、動態(tài)的全面分析。(6)工作性能分析69

(7)造型設(shè)計分析對產(chǎn)品的外形構(gòu)造、色彩等進行分析，從適合顧客心理需要、提高商品價值的角度分析造型及色彩設(shè)計的優(yōu)點和不足之處。

(8)制造工藝分析先進的設(shè)備和產(chǎn)品，主要是先進加工工藝和裝配工藝先進。如果通過反求技術(shù)求得這些工藝訣竅，就可為新設(shè)計產(chǎn)品打下良好的基礎(chǔ)。(7)造型設(shè)計分析70(9)使用和維修分析研究分析先進設(shè)備和產(chǎn)品在好用和好修方面采取了哪些措施。(10)包裝技術(shù)分析產(chǎn)品的包裝已成為產(chǎn)品設(shè)計的重要方面。所以，在反求過程中，應(yīng)研究產(chǎn)品的包裝、防潮、防霉、防銹等方面的技術(shù)。(9)使用和維修分析715.2.3實體數(shù)據(jù)測量與反求方法

反求工程采用的測量方法主要有三種：一是傳統(tǒng)的接觸式測量法，如三坐標測量法；二是無接觸測量法、如投影光柵法、激光三角形法、全息法、深度圖像三維測量法；三是逐層掃描測量法，如工業(yè)CT法、核磁共振成像法(MRI)、自動斷層掃描法等。也有一種破壞性的、與逐層累加相反的方法，即逐層去除測量法。這種方法雖然破壞零件，但取得的數(shù)據(jù)精度高，在很多情況下也有應(yīng)用。5.2.3實體數(shù)據(jù)測量與反求方法

反求工程采用的72

這些方法都有各自的特點和應(yīng)用范圍，具體選用何種測量方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)根據(jù)被測物體的形體特征和應(yīng)用目的來決定。這些測量方法應(yīng)用于快速成型時各有優(yōu)缺點。一個與快速成型技術(shù)完全匹配的反求工程系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點：這些方法都有各自的特點和應(yīng)用范圍，具體選用何種73①測量速度快，精度高(±10μm)；②能測量內(nèi)外輪廓，最好不破壞樣件；③能把測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAD模型；④具有把CAD模型文件轉(zhuǎn)換成STL文件的功能，并能直接切片；⑤能自動化測量，且成本低。3D打印技術(shù)數(shù)據(jù)處理5匯總課件74

可以說，到現(xiàn)在為止，還沒有找到一種完全適用于快速成型技術(shù)的快速、精確的反求測量方法。隨著計算機及光電技術(shù)的發(fā)展，以計算機圖像處理為主要手段的無接觸式測量技術(shù)，將投影光柵法和激光三角形法用于快速原型制造技術(shù)的反求測量方法正在迅速發(fā)展?？梢哉f，到現(xiàn)在為止，還沒有找到一種完全適用于快速75

一、接觸式測量接觸式測量有以下優(yōu)點：⑴因接觸式測頭發(fā)展已有幾十年了，其機械結(jié)構(gòu)及電子系統(tǒng)已相當(dāng)成熟，故有較高的準確性和可靠性。⑵接觸式測量為測頭直接接觸工件表面，故與工件表面的反射特性、顏色及曲率關(guān)系不大。⑶被測物體固定在三坐標測量機上，并配合測量軟件，可快速準確地測量出物體的基本幾何形狀，如面、圓、圓柱、圓錐、圓球等。一、接觸