1、逆向工程技術(shù)及其應用,2,什么是逆向工程,一、逆向工程技術(shù),1、 2、 3、 4、 5、 6、逆向工程技術(shù)發(fā)展展望,逆向工程流程,逆向工程軟件介紹,產(chǎn)品制造技術(shù)介紹,逆向工程應用,3,20世紀60 年代，日本為了恢復和振興經(jīng)濟，提出科技興國和大力發(fā)展制造業(yè)的方針：“一代引進，二代國產(chǎn)化，三代改進出口，四代占領(lǐng)國際市場”，并對機床、汽車、電子、光學設(shè)備和家電等行業(yè)的發(fā)展給予優(yōu)惠政策。 日本政府和企業(yè)普遍認為對別國先進產(chǎn)品和先進技術(shù)的引進、消化、吸收、改進和挖潛，是自身發(fā)展的一條捷徑。觀點很快被事實驗證，由此引發(fā)了逆向設(shè)計（Reverse Design）的概念。,1、什么是逆向工程,4,1、什么是

2、逆向工程,明確提出逆向工程（Reverse Engineering）這個術(shù)語并作為一門學問和實用技術(shù)進行系統(tǒng)研究則是近30年的事情。 20世紀80年代初分別由美國3M公司、日本名古屋工業(yè)研究所以及美國UVP公司提出。,5,1、什么是逆向工程,逆向工程發(fā)展至今，已經(jīng)成為世界各國在發(fā)展經(jīng)濟中不可缺少的手段和重要策略之一。 據(jù)統(tǒng)計，各國70%以上的技術(shù)源于國外，逆向工程作為掌握、改進和發(fā)展技術(shù)的一種手段，可使產(chǎn)品研制周期縮短40%以上，從而極大地提高了生產(chǎn)率。逆向工程的實際應用為許多企業(yè)的發(fā)展帶來了生機，進而為創(chuàng)新設(shè)計和各種新產(chǎn)品開發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)。,6,逆向工程 (Reverse Engineer

3、ing）以設(shè)計方法學為指導，以現(xiàn)代設(shè)計理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運用各種專業(yè)人員的工程設(shè)計經(jīng)驗、知識和創(chuàng)新思維，對已有產(chǎn)品進行解剖、深化和再創(chuàng)造，這就是逆向工程的含義。可以說，逆向設(shè)計是對已有設(shè)計的再設(shè)計，其中再創(chuàng)造是逆向設(shè)計的靈魂。 在實際操作中，用一定的測量手段對實物或模型進行測量,根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構(gòu)實物的CAD模型的過程，是一個從樣品生成產(chǎn)品數(shù)字化信息模型，并在此基礎(chǔ)上進行產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)及生產(chǎn)的全過程。,1、什么是逆向工程,正向工程是泛指按常規(guī)的從概念(草圖)設(shè)計到具體模型設(shè)計再到成品的生產(chǎn)制造過程。逆向工程常指從現(xiàn)有模型(產(chǎn)品樣件、實物模型等)經(jīng)過一定的手段轉(zhuǎn)化為概念模型

4、和工程設(shè)計模型乃至成品的過程。,概念設(shè)計,詳細設(shè)計,CAD數(shù)模,模具,成品,數(shù)據(jù)獲取,CAD數(shù)模,模具,成品,a)正向工程,b)逆向工程,實物樣件,1、什么是逆向工程,8,逆向工程流程,2、逆向工程流程,2、逆向工程流程,實物樣件,數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)預處理,曲面重構(gòu),簡單流程圖,2.1數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)采集是逆向工程建模的第一步，它是用一定的設(shè)備對實物進行測量來獲取實物的表面數(shù)據(jù)(有時也包括內(nèi)部數(shù)據(jù))。測量的方法有很多，如圖所示：,測 量 設(shè) 備,接觸式,非接觸式,機械手,三坐標測量儀,基于光學,基于磁學,基于聲學,三角幾何測量法,干涉法,圖像分析法,光速測距法,結(jié)構(gòu)化光照法,11,測量設(shè)備,接觸式測

5、量,非接觸式測量,數(shù)字獲取方法,13,測量方法的比較,接觸式測量,14,測量方法的比較,非接觸式測量,數(shù)據(jù)格式,模型重建方法：等值面抽取(MC)算法、徑向基函數(shù)(RBF)算法及德洛內(nèi)三角化(DT)等,16,3D重建流程,2.2 數(shù)據(jù)預處理,在數(shù)據(jù)采集階段，幾乎所有的測量方式、測量系統(tǒng)在測量過程中都不可避免地存在誤差。對于大型或復雜的零件我們也不得不進行多次掃描。這樣就需要對采集后的數(shù)據(jù)進行拼合處理。由光學方法得到的極為密集的測量數(shù)據(jù)稱為“點云”，對于點云我們也要做必要的精簡處理。數(shù)據(jù)的預處理是十分必要的。對于點云的預處理主要包括以下幾個方面：,去除雜點,數(shù)據(jù)拼合,數(shù)據(jù)細分及精簡,去除噪聲,受掃

6、描設(shè)備和環(huán)境因素的影響，掃描以后得到的點云會存在大量的噪聲點，這些噪聲點會干擾我們后繼工作的展開，所以在進行曲面重構(gòu)之前要把這些噪聲點去除。 噪聲就是表面高頻小凸起等 細小結(jié)構(gòu)。 去除噪聲也稱為 網(wǎng)格光順,新的網(wǎng)格點等于鄰域點的平均坐標值，循環(huán)遞歸可以有效去除噪聲，改善網(wǎng)格三角片形狀，且不會改變模型拓撲。,網(wǎng)格光順技術(shù),網(wǎng)格光順技術(shù),缺點：鄰域點權(quán)值均等，與實際不符。 導致過渡光順，模型尖邊特征也會 模糊,21,網(wǎng)格光順技術(shù),改進：修改鄰域權(quán)值 ，可有效光順模型，同時保留特征。 然而，如何確定權(quán)值是難點，此外，噪聲和小的尖特征也難以區(qū)別,從左至右：原始模型，噪聲模型，光順模型,數(shù)據(jù)拼合,受激光

7、掃描儀的限制，很多零件是不能一次就采集全所有數(shù)據(jù)的，多次掃描后每塊點云的坐標都發(fā)生了變化，數(shù)據(jù)拼合就是把它們統(tǒng)一在一個坐標系下。,23,數(shù)據(jù)插補,由于實物拓撲結(jié)構(gòu)以及測量機的限制，一方面在實物數(shù)字化時會存在一些探頭無法測到的區(qū)域，另一種情況則是實物零件中存在表面凹邊、孔及槽等，使曲面出現(xiàn)缺口，這樣在造型時就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)空白現(xiàn)象，影響曲面的逆向建模。 目前應用于逆向工程的數(shù)據(jù)插補方法主要有 實物填充法 插值補充法 軟件算法,24,數(shù)據(jù)插補,網(wǎng)格細分-簡單粗糙的多邊形表面變成光滑曲面的表面。 算法來源-“切角”； 理論依據(jù)：Beizer及樣條曲面,數(shù)據(jù)細分及簡化,多邊形粗糙表面-光順表面,27,細分

8、技術(shù)應用(98Sig會議)： -Geri的手和頭 -服裝 - 領(lǐng)帶和鞋,28,類似細分技術(shù)的逆運算：復雜表面-盡量保留特征的簡化表面。 -掃描越精細，模型數(shù)據(jù)越大，處理、傳送不方便。,數(shù)據(jù)簡化,算法在網(wǎng)格中尋找不重要的點、邊和面，去掉它們。難點是如何確定重要性權(quán)值。,數(shù)據(jù)簡化,30,在不損失模型特征的情況下對點云進行有效的精簡可以大大的提高工作效率 數(shù)據(jù)精簡前點云數(shù)為323315點 數(shù)據(jù)精簡后點云數(shù)為104748點,精簡前,精簡后,數(shù)據(jù)簡化,31,遞進網(wǎng)格-網(wǎng)格簡化又一個應用，網(wǎng)絡傳輸顯示。,數(shù)據(jù)簡化,32,在3D剛體運動中，形狀特征線保持不變，這是形狀識別、匹配和分割等網(wǎng)格形狀處理操作的基礎(chǔ)

9、；此外，掃描技術(shù)的發(fā)展使得獲取數(shù)據(jù)愈來愈精細，為特征分析提供了可能。,特征分析及編輯,33,模型表面特征通常對用凹凸不平的幾何元素。即高曲率部分。 -離散表面近似計算曲率：1. 曲率公式離散化； 2. 擬合局部網(wǎng)格點，得到一個近似曲面。,特征分析及編輯,問題：精度難以保證，容易誤檢測或漏檢測。,34,數(shù)據(jù)分割,數(shù)據(jù)分割是根據(jù)組成實物外形曲面的子曲面類型，將屬于同一子曲面類型的數(shù)據(jù)成組，這樣全部數(shù)據(jù)將劃分成代表不同曲面類型的數(shù)據(jù)域，為后續(xù)的曲面模型重建提供方便。 常用方法： 用戶定義交互分割 自動分割,測量數(shù)據(jù)點 數(shù)據(jù)點分割 擬合29個二次曲面,35,數(shù)據(jù)分割,3、逆向工程軟件介紹,SDRC公司

10、的 ImageWare surfacer Raindrop Geomagic公司的Geomagi c EDS公司的Unigraphics NX Cloudform Catia,SDRC公司的ImageWare surfacer,Raindrop Geomagic公司的Geomagic,EDS公司的Unigraphics NX,PTC公司的Pro Engineer,ImageWare surfacer,Imageware是著名的逆向工程軟件，廣泛應用于汽車、航空、航天、家電、模具、計算機零部件領(lǐng)域。 Surfacer是Imageware的主要產(chǎn)品，主要用來做逆向工程，它處理數(shù)據(jù)的流程遵循點-曲線

11、-曲面原則。,Geomagic Studio,Geomagic Studio是美國Raindrop Geomagic(雨滴)軟件公司推出的逆向工程軟件。該軟件是目前市面上對點云處理及三維曲面構(gòu)建功能最強大的軟件，利用Geomagic Studio可輕易地從掃描所得的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格。并可自動轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。,39,Unigraphics NX,Unigraphics(UG),是美國 EDS公司推出的CAD/CAE/CAM一體化軟件，廣泛應用于航空、汽車、機械、家電等各行各業(yè)。 UG具有獨特的復合建模方法，這使它在建模方面更加靈活，在產(chǎn)品設(shè)計初期可以將主 要精力放在設(shè)計

12、思想 和設(shè)計方案上，可以 提高設(shè)計效率。,40,Pro Engineer,Pro/E是美國參數(shù)技術(shù)公司(PTC)推出的3D CAD/CAE/CAM軟件，它采用參數(shù)化行為建模技術(shù)，在實體造型方面功能更強大，因此在制造業(yè)尤其是機械制造業(yè)獲得了廣泛的應用。 由于采用“全尺寸”約束，所以約束尺寸不能漏注也不能多注，從而設(shè)計過程過于呆板。,41,Catia（常用于曲面創(chuàng)建）,42,Cloudform （常用于點云處理）,43,計算機輔助制造CAM,兩種定義: 廣義CAM 指借助計算機完成從生產(chǎn)準備到產(chǎn)品制造出來的過程中的各項活動，包括工藝過程設(shè)計（CAPP）、工裝設(shè)計、計算機輔助數(shù)控加工編程、生產(chǎn)作業(yè)計

13、劃、制造過程控制、質(zhì)量檢測與分析 狹義CAM 通常指NC程序編制，包括刀具路徑規(guī)劃、刀位文件生成、刀具軌跡仿真、后置處理及NC代碼生成,4、先進制造技術(shù),44,將設(shè)計人員從大量繁瑣的重復勞動中解放出來，減少設(shè)計、計算、制圖、制表所需的時間，縮短了設(shè)計周期，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，有利于發(fā)揮設(shè)計人員創(chuàng)造性 借助計算機輔助分析技術(shù)，可從多方案中進行分析、比較、選出最佳方案，實現(xiàn)設(shè)計方案的優(yōu)化。 有利于實現(xiàn)產(chǎn)品的標準化、通用化和系列化 促進先進生產(chǎn)設(shè)備的應用，在較大范圍內(nèi)適應加工對象的變化，提高生產(chǎn)過程自動化水平，有利于企業(yè)提高應變能力和市場競爭力 CAD/CAM的一體化，可以實現(xiàn)信息集成，使產(chǎn)品的設(shè)計、

14、制造過程形成一個有機的整體，在經(jīng)濟上、技術(shù)上給企業(yè)帶來綜合效益,優(yōu)越性,45,快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping，簡稱RP）20世紀80年代發(fā)展起來的，它綜合了機械工程、CAD、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)及材料科學技術(shù)，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵瑥亩蟠罂s短產(chǎn)品的研制周期。因而，被認為是近20來制造領(lǐng)域的一個重大突破。影響力與數(shù)控技術(shù)相當。 3D打印,快速成型技術(shù),工作時，機器將粉末材料一層層地用液態(tài)連接體也就是特殊膠水粘合，按照不同的橫截面圖案固化，一層層疊加，感覺像是在做蛋糕那樣創(chuàng)建三維實體。,46,基本思路 CAD模型建立 STL

15、文件生成 分層切片 快速堆積成形,47,基本原理與現(xiàn)有技術(shù),其實3D打印機原理很簡單，每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié)，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被打印成型。完成后，要處理掉物品周圍沾滿的粉末，這是可以循環(huán)利用的，再涂上增強硬度的膠水。 眼下3D打印機有兩種類型，一種是堆疊法，一種是燒結(jié)。原理基本都是多層分片打印，而堆疊和燒結(jié)只是成型技術(shù)的區(qū)別。堆疊只能成型塑料、硅之類的材質(zhì)，對固化反應速度有要求，而燒結(jié)可以利用激光的高溫對金屬粉末

16、進行處理加工出金屬材質(zhì)的東西出來，實體可通過打磨、鉆孔、電鍍等方式進一步加工。所以3D打印機和普通打印機，最大的區(qū)別是“墨水”。 現(xiàn)有的3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)600dpi分辨率，每層厚度只有0.01毫米，想完美地展現(xiàn)頭發(fā)絲還是很困難的，但是做小零件、模型綽綽有余。技術(shù)的發(fā)展和粉末很有關(guān)系，材料越細，每一層就更薄，做出來的東西精度就越高。,48,國內(nèi)現(xiàn)狀 我國在90年代先后有武漢華中科技大學快速制造中心、中科院深圳先進技術(shù)研究院、西安交大先進制造技術(shù)研究所、北京殷華實業(yè)有限公司、陜西省激光快速成型與模具制造工程研究中心等在快速成型工藝研究、設(shè)備開發(fā)、數(shù)據(jù)處理及控制軟件、新材料的研發(fā)等方面做了大量有

17、成效的工作。,49,3D打印為何能火,新的三個有關(guān)3D打印的報道很嚇人，一個是打印房子，另一個打印飛機，三是打印手槍。其實在歐美，注重創(chuàng)造力的發(fā)達國家，3D打印技術(shù)已經(jīng)成功商用，尤其是消費電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)。它們不光可以離開傳統(tǒng)的大規(guī)模機床來制造小數(shù)量的部件，而且可以用不同方法來制造，比如單個制作噴氣式飛機上的空氣動力導管，而不再需要很多不同的元件來組裝它。,用發(fā)展的眼光來看，3D打印首先會影響的是模具行業(yè)。即便在國內(nèi)制造行業(yè)不景氣的今天，模具行業(yè)仍然風景獨好，一方面是對技術(shù)要求高，另一方面是市場有需求，在產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)之前，必須要進行多次打樣和修改。3D打印機的出現(xiàn)，其實是消滅了模具

18、反復打造的流程，能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，大幅減少成本投入，對于一些復雜而精細的造型，3D打印機表示毫無壓力。,50,3D打印為何能火,其次是會引發(fā)個性風潮。對一些小廠家來說，迫于模具制造的高成本，往往會采用公模來生產(chǎn)，雖然在功能上能滿足用戶的需求，但千篇一律的造型，很難迎合時下個性化的發(fā)展趨勢，所以賣不出高價，只能靠低價來吸引消費者。在機械化和流水線盛行的年代，人們對于手工的東西有特別的親切感，即便價格昂貴數(shù)倍，也不愁找不到買家，原因是手工制作不可能有相同的，而且品質(zhì)有保證。3D打印機的出現(xiàn)，一方面滿足人們對個性化產(chǎn)品的追求欲，完全可以量身定制，另

19、一方面在大大提高生產(chǎn)效率的同時，還能降低成本。 第三是激發(fā)了人的想象力。極客牙醫(yī)用它進行牙齒正畸和數(shù)字化種牙，減少風險和痛苦；外科醫(yī)生更厲害，直接打印骨頭，只不過把材料換成添加了硅和鋅磷酸鈣，用于臨床手術(shù)；汽車維修公司用它來打印稀缺的汽車零部件，原先要等全球物流下2個月才到的一個東西，1個小時搞定了；英國科學家還在3D打印機的基礎(chǔ)上成功改造，使用液態(tài)巧克力作為“油墨”，可以打印各種形狀的巧克力，幾乎所有人都相信，3D打印機會成為食品界殺手級工具。,51,3D打印應用廣泛,醫(yī)療行業(yè) 最近，一位83歲的老人由于患有慢性的骨頭感染，因此換上了由3D打印機“打印”出來的下顎骨，這是世界上首位使用3D打

20、印產(chǎn)品做人體骨骼的案例。隨著技術(shù)的發(fā)展，甚至可以打印出具有活性的人體組織等。,科學研究 美國德雷塞爾大學的研究人員通過對化石進行3D掃描，利用3D打印技術(shù)做出了適合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同時還做了比例縮減，更適合研究。,產(chǎn)品模型 比如微軟的3D模型打印車間，在產(chǎn)品設(shè)計出來之后，通過3D打印機打印出來模型，能夠讓設(shè)計制造部門更好的改良產(chǎn)品，打造出更出色的產(chǎn)品。,建筑設(shè)計 在建筑業(yè)里，工程師和設(shè)計師們已經(jīng)接受了用3D打印機打印的建筑模型，這種方法快速、成本低、環(huán)保，同時制作精美。完全合乎設(shè)計者的要求，同時又能節(jié)省大量材料。,52,實例作品,53,54,5、逆向工程的應用,

21、1、 2、 3、 4、 5、,從油泥模型開始的產(chǎn)品設(shè)計,產(chǎn)品的仿制及改進,藝術(shù)品的復制,在模具制造中的應用,醫(yī)療產(chǎn)品的制造,55,從油泥模型開始的產(chǎn)品設(shè)計,在汽車的設(shè)計初期，設(shè)計師將設(shè)計方案用油泥模型表達出來，然后對它進行風阻實驗，逐漸完善確定最終方案，再把這時的模型通過逆向工程技術(shù)轉(zhuǎn)化為CAD模型。逆向工程在汽車領(lǐng)域的應用大大提高了汽車整車開發(fā)的周期。,56,產(chǎn)品的仿制及改進,基于實物的逆向工程應用最廣的還是進行產(chǎn)品復制和仿制，尤其是外觀設(shè)計產(chǎn)品。逆向工程在產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域的應用，大大提高了產(chǎn)品開發(fā)的速度，對現(xiàn)有產(chǎn)品進行數(shù)字化掃描，完成實物的3D重建后，通過NC加工就能快速地制造出模具，最終注塑