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逆向工程技术2111102013洪张舟主要参考文献先进制造技术【第二版】北京理工大学出版社2009年8月第二版目录一、逆向工程概述二、逆向工程系统三、逆向工程的关键技术四、快速原型制造技术一、逆向工程概述返回总目录1、逆向工程技术概念2、逆向工程技术应用一般工业产品开发是从确定预期功能与规格目标开始，构思产品结构，然后进行每个零部件的设计、制造以及检验，再经过装配、性能测试等程序完成整个开发过程，每个零部件都有设计图纸，按确定的工艺文件加工。这种开发模式称为预定模式（prescriptivemodel），此类开发工作称为正向工程（forwardengineering）或正向设计，产品正向开发的流程如下图所示。逆向工程概述1、逆向工程技术概述组件的正向开发流程规格确定设计制造检验逆向工程是相对于传统正向工程而言的数字化测量CAD模型重构二维图样、技术文档仿制改制产品CAD/CAE系统CAM系统快速成型RP产品样件模具PDM系统实物样件新产品逆向工程流程图2、逆向工程技术应用（3）在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下（1）对产品外形的美学有特别的要求，为方便评价其美学效果，设计师广泛利用油泥、黏土或木头等材料进行快速且大量的模型制作。通过运用逆向工程技术将这些比例模型用数学模型表达，通过比例运算得到美观的真实尺寸的CAD模型。（2）需要通过实验来最终确定零件的形状。（4）艺术品、考古文物的复制。（5）人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造。（6）特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需首先建立人体的几何模型。二、逆向工程系统返回总目录1、逆向工程系统组成2、逆向工程系统的设备与软件逆向工程系统1、逆向工程系统组成（1）产品实物几何外形的数字化1）零件原型的三维数字化测量2）提取零件原型的几何特征。（2）CAD模型重建1）零件原型三维重构2）CAD模型的分析及改进（3）产品或模具制造2、逆向工程系统的设备和软件（2）测量测头分接触式和非接触式（1）测量机有三坐标测量机、多轴关节式机械臂及激光追踪站等。（3）数据处理软件（4）模型重建软件(CAD/CAM)模型重建软件包括三类，一是用于正向设计的CAD/CAE/CAM软件，但数据处理和逆向造型功能有限；二是集成有逆向功能模块的正向CAD/CAE/CAM软件；三是专用产品数据管理（PDM）等软件（5）CAE软件（6）CNC加工设备（7）快速原型机（8）产品制造设备三、逆向工程的关键技术返回总目录1、数据采集方法2、数据的处理数字化测量是逆向工程的基础，在此基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。数据的测量质量直接影响最终模型的质量。1、数据采集方法逆向工程的关键技术接触式测量测量设备非接触式测量测量设备基于平板探测器X射线成像系统医学CT测量测量方法比较优点•接触式探头发展已有几十年，其机械结构和电子系统已相当成熟，故有较高的准确性和可靠性。•接触式测量探头直接接触工作表面，与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大。缺点•为了确定测量基准点而使用特殊的夹具，不同形状的产品可能会要求不同的夹具，因此导致测量费用较高。•球形的探头易因接触力造成磨损，为了维持测量精度，需要经常校正探头的直径，不当的操作还会损坏工件表面和探头。•测量数度较慢，对于工件表面的内形检测受到触发探头直径的限制。•对三维曲面的测量，探头测量到的点是探头的球心位置，欲求得物体真实外型需要对探头半径进行补偿，因而可能引入修正误差。接触式测量测量方法比较优点•不必作半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置。•测量数度非常快，不必像接触式探头那样逐点进出测量。•软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。缺点•测量精度较差，因接触式探头大多使用光敏位置探测器来检测光点位置，目前其精度仍不够，约为20以上。•因非接触式探头大多是接收工件表面的反射光或折射光，易受工件表面反射特性的影响，如颜色、曲率等。•非接触式测量只做工件轮廓坐标点的大量取样，对边线处理、凹孔处理以及不连续形状的处理较困难。非接触式测量测量路径是测头的运动轨迹，在逆向工程的测量流程中是极其重要的一环，其数据规划的效果将直接影响到整个产品模型逆向工程时间的长短和重构质量。特别是在使用三坐标测量机进行数据测量时，为保证测量精度和运行安全，提高三坐标测量机的测量效率的关键。设计测量路径的基本原则：1）安全，即从本测量点移到下一测量点的途中，测头不与工件发生干涉；2）路径短、速度快，即根据坐标机的加减速特性，测头能以最快的速度到达下一测量点；3）行走路线自然，减少测头运转的空行程和测头的旋转测量。测量路径规划产品外形数据是通过坐标测量机来获取的，一方面，无论是接触式的数控测量机还是非接触式的激光扫描机，不可避免地会引入数据误差，尤其是尖锐边和产品边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面。另外，由于激光扫描的应用，曲面测量会产生海量的数据点，这样在造型之前应对数据进行精简。主要包括以下内容：坏点去除，点云精简，数据插补，数据平滑，数据分割2、数据的处理坏点又称跳点，通常由于测量设备的标定参数发生改变和测量环境突然变化造成的，对于手动人工测量，还会由于误操作是测量数据失真。坏点对曲线、曲面的光顺性影响较大，因此测量数据预处理首先就是要去除数据点集中的坏点。常用方法如下：1.直观检查法2.曲线检查法3.弦高差法坏点去除当测量数据过密，不但会影响曲面的重构速度，而且在重构曲面的曲率较小处还会影响曲面的光顺性。因此，在进行曲面重构前，需要建立数据的空间邻域关系和精简数据。在均匀精简方法中，通过以某一点定义采样立方体，求立方体内其余点到该点的距离，再根据平均距离和用户指定保留点的百分比进行精简。点云精简3p保留每个子立方体中距中心点最近的点。由于实物拓扑结构以及测量机的限制，一方面在实物数字化时会存在一些探头无法测到的区域，另一种情况则是实物零件中存在表面凹边、孔及槽等，使曲面出现缺口，这样在造型时就会出现数据空白现象，影响曲面的逆向建模。目前应用于逆向工程的数据插补方法主要有1.实物填充法2.造型设计法3.曲线、曲面插值补充法数据插补由于在数据测量过程中受到各种人为和随机因素的影响，使得测量结果包含噪声，为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，需要对数据进行平滑滤波。数据平滑主要针对扫描线数据，如果数据点是无序的，将影响平滑的效果。通常采用的滤波算法：1.标准高斯(Gaussian)法2.平均(Averaging)法3.中值(Median)法，数据平滑数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面类型，将属于同一子曲面类型的数据成祖，这样全部数据将划分成代表不同曲面类型的数据域，为后续的曲面模型重建提供方便。常用方法：1.基于测量的分割2.自动分割数据分割测量数据点数据点分割拟合29个二次曲面线框图渲染图四、快速原型制造技术返回总目录1、RPM技术原理2、典型的RPM工艺方法3、RPM技术的应用1、RPM技术原理快速原型制造（RapidPrototypingManufacturing简称RPM）又称为快速出样件技术或快速成型法与传统去除材料的加工方法不同，它是采用材料累加的方法逐层制作.快速成型技术是一个由三维转换成二维（软件离散化），再由二维到三维（材料堆积）的工作过程。快速原型制造技术下图所示为逆向工程和快速模具应用于产品开发的过程。逆向工程、快速原型和快速模具开发产品原型概念设计CAD设计数据采集逆向获取CAD模型模型分层层面信息处理层面加工与粘结层层堆积原型或零件快速原型制造流程图2、典型的RPM工艺方法迄今为止，国内外已成功开发了10多种成熟的快速原型工艺，其中比较常用的有以下几种：（1）光固化成型（StereoLithographyApparatus简称SLA）。LSA快速成形技术工作原理（2）层合实体制造（LaminatedObjectManufacturing简称LOM）。（3）选域激光烧结成型（SelectiveLaserSintering简称SLS）。（4）熔融沉积造型（FusedDepositionModeling简称FDM）。（5）三维喷涂粘结(ThreeDimensionalPrintingandGluing)3、RPM技术的应用快速模具(RapidTooling简称RT)技术是指利用快速原型技术制造快速模具。而快速模具技术提供了一条从模具的CAD模型直接制造模具的新的概念和方法。它将模具的概念设计和加工工艺集成在一个CAD/CAM系统内。RT技术结合各种计算机模拟与分析手段，形成了一整套全新的模具设计与制造系统。RT技术能够解决大量传统加工方法(如切削加工)难以解决甚至不能解决的问题，可以获得一般切削加工不能获得的复杂形状，可以根据CAD模型无需数控切削加工直接将复杂的型腔曲面制造出来。创新产品设计快速成形母模原型硅橡胶模过渡模生产模试制征求意见修改设计中小批量生产大批量生产快速制模方法大致有间接制模法和金属直接制模法两种。间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具和硬质模具两大类。软质模具用于新产品开发过程中的产品功能检测和投入市场试运行。目前提出的软质模具制造方法主要有树脂浇注法、金属喷涂法、电铸法、硅橡胶浇注法等。软质模具生产制品的数量一般为50～5000件，对于上万件乃至几十万件的产品，仍然需要硬质模具（钢质模具），利用RP原型制作钢质模具的主要方法有熔模铸造法、电火花加工法、陶瓷型精密铸造法等。基于逆向工程的模具制造的CAD模型是来自实物或样件模型，通过数字化扫描和三维重建获得，根据多种数据来源(三维测量、图像、CT等)重构出实物的CAD模型，然后转换成STL文件和NC代码。