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逆向工程与快速成形技术1.1逆向工程的定义1.2逆向工程的工作流程1.3逆向工程系统的组成1.4逆向工程与产品创新1.5逆向工程常用软件介绍第1章逆向工程技术概述设计样机生产工程需求图档工业设计？样品？试验如何快速制造？产品小批量？逆向工程、快速成形、快速模具是产品快速开发技术！传统正向设计方法－过程No需求分析详细设计初步设计概念设计工艺规划可行性分析？Yes样机试制制造设计与制造信息描述是从构思到数字模型，再到产品（实物）的演化过程传统正向设计方法－表达设计信息可用参数精确描述逆向工程技术的产生逆向工程的定义逆向工程（ReverseEngineering，RE）是将实物模型转变为CAD模型的相关数字化测量技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。1.2逆向工程的应用设计物理模型到数字模型的转换引进技术的吸收消化和再创新试验模型转换成数字模型艺术品、文物复制医学应用（骨头、关节、牙齿、假肢）服装、鞋子、头盔、首饰的定制复杂型面制造质量的检测实物模型形状数字化测量CAD模型重建CAE分析快速原型工艺规划制造是从实物到数字模型，再到产品（实物）的演化过程1.3逆向工程的工作流程1、工作流程2、逆向工程的信息表达形面构成复杂，设计信息难以用参数精确描述逆向工程型面数据测量测量数据处理数字模型重构CMM激光扫描结构白光NURBS(B-Spline)三角曲面三角面片点云数据拼合特征边界提取数据精简等3、研究内容1.4逆向工程系统的组成几何外形数字化CAD模型重构产品或模具制造•测量机与测量探头•数据处理•模型重建软件：一是用于正向设计的CAD/CAE/CAM软件；二是集成有逆向功能模块的正向CAD/CAE/CAM软件；三是专用的逆向工程软件，。此外，还要PDM等软件。支撑的硬件平台有个人计算机和工作站。•CAE软件•CNC加工设备•快速成型机•产品制造设备系统1.5逆向工程与产品创新是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果进行创新构思，设计出具有科学性、创造性、新颖性及实用性的产品的一种实践活动，是创造具有市场竞争优势商品的过程。其基本特征是新颖性和先进性。1、创新设计的定义常规设计：一般只需对某些参数作些变动原理开拓型：运用新技术原理解决新问题、应用新技术原理解决老问题、对“旧”技术原理进行新的开发应用组合创新类：将已有的零部件，通过有机组合而成为一种产品，这种产品又能达到一种新的整体功效转用创新类：将已知的解决方案转用于另一类技术领域，并产生出新的效果利用性质类：利用常见的性质进行发明、利用性质组合进行发明、利用不常见的性质进行发明、通过发现客观世界的性质进行发明创造、发现涵盖一类现象的理论进行发明创造2、创新设计的分类就地出发型：需求适应法，希望实现法、缺点消除法、更材易质法、由此思彼法、联想推广法、类似比较法、仿生法、迂回转向法多项扩散型：扩展功能法、系统搜索法、分解组合法集思广益型：畅谈集智法、默写集智法、函询集智法3、创新设计的方法4、产品设计逆向工程的两种方式一是由设计师、美工师事先设计好产品的油泥或木制模型，由坐标测量机将模型的数据扫入，再建立计算机模型。二是针对已有产品的实物零件，通常是国内外一些最新的设计产品，这种产品逆向设计方法也就是仿制。仿制是一种最低层次的逆向工程，有可能触犯法律。因此，需要对模型进行修改、再设计，以获得一个不完全相同甚至不同的新的结构外形，最终达到产品设计创新之目的。5、逆向创新设计过程创新设计应满足下列要求：满足内部结构要求；模型可方便地修改；有支持创新的CAD系统（决策、人工智能、知识库）目前，模型重建的主要方式是拟合曲面片，然后再建立产品的曲面整体以及实体模型。这种建模方式对恢复原型是有效的。但对模型进行修改或再设计，操作起来就显得十分困难。因此，需要寻求新的模型表达及建模方法。数字化模型重建创新设计下游过程6、支持创新的逆向建模方法参数化、变量化建模重建的曲面模型平面、球、椭圆、二次曲面等特征库特征操作：求交、裁剪、过渡等几何特征几何特征几何特征……二维约束图二维约束图二维约束图……1.6逆向工程常用软件介绍1、具有代表性的逆向软件：ImageWareSurfacer、Geomagic、Paraform、QuickShape、CopyCAD、SurfaceReconstruction、DigiSurf、Mimics、SurfaceStudio1.6逆向工程常用软件介绍2、GeomagicStudio软件：主要功能有：自动将点云数据转换为多边形（Polygons）快速减少多边形数目（Decimate）把多边形转换为NURBS曲面曲面分析（公差分析等）输出与CAD/CAM/CAE匹配的文件格式1.6逆向工程常用软件介绍3、工作流程：•扫描对齐•扫描整理•噪音减小•采样•基于曲率的孔填充•多边形编辑•边界修补•特征构建•特征识别•特征线选取•边界构建•面片组织目标组合扫描光滑数据目标光滑曲面整理边界目标规则化现状调整3D扫描点阶段多边形阶段成形阶段CAD/CAM/CAE第2章逆向工程数据测量与处理2.1数据测量方法与特点2.2数据处理流程2.3数据测量与处理实例2.1数据测量方法与特点三坐标测量机(CMM)——类型按结构形式分为：移动桥式、龙门式、悬臂式、水平臂式、坐标镗床、卧式镗床和仪器台式等三坐标测量机（CMM）将被测物体置于三坐标机的测量空间，可获得被测物体上各测量点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算可求出被测得几何尺寸、形状和位置。——测量原理——组成：三坐标测量机（CMM）测头：按照结构原理，可分为机械式、光学式和电气式等按测量方法，可分为接触式和非接触式接触式触头可分为硬测头和软测头激光扫描测头模拟扫描测头光学扫描测头——机械接触式测头三坐标测量机（CMM）－接触式特点接触测量精度高，几个um可直接测量特征尺寸测量速度慢硬质表面内部尺寸受限制光电式测头——结构形式三角法测头、激光聚集测头、光纤测头、体视式三维测头、接触式光栅测头三角法测头——基本原理由激光器2发出的光，经聚光镜3形成很细的平行光束，照射到被测工件4上（工件表面反射回来的光可能是镜面反射光，也可能是漫反射光，三角法测头是利用漫反射光进行探测的），其漫反射回来的光经成像镜5在光电检测器1上成像。1）由于不存在测量力，因而适合于测量各种软的和薄的工件；2）由于是非接触测量，可以对工件表面进行快速扫描测量；3）多数光学测头具有比较大的量程，在离工件表面很远的地方（如40mm～100mm）也可对工件进行测量，且测头的测量范围也较大（如±5mm～±10mm）。这是一般接触式测头难以达到的；4）可以探测工件上一般机械测头难以探测到的部位。最大的优点就是工作距离大，不过三角法测头的测量精度不是很高，其测量不确定度大致在几十至几百微米左右。光学测头——特点电气式测头类型：动态测头和静态测头动态测头（触发式）的结构形式和特点动态测头结构简单、成本低，可用于高速测量，但精度稍低，而且动态测头不能以接触状态停留在工件表面，因而只能对工件表面作离散的逐点测量，不能作连续的扫描测量。静态测头的结构形式和特点静态测头除具备触发式测头的触发采样功能外，还相当于一台超小型三坐标测量机。测头中有三维几何量传感器，在测头与工件表面接触时，在X、Y、Z三个方向均有相应的位移量输出，从而驱动伺服系统进行自动调整，使测头停在规定的位移量上，在测头接近静止的状态下采集三维坐标数据，故称为静态测头。静态测头沿工件表面移动时，可始终保持接触状态，进行扫描测量，因而也称为扫描测头。其主要特点是精度高，可以作连续扫描，但制造技术难度大，采样速度慢，价格昂贵，适合于高精度测量机使用。X向加力机构是利用电磁铁6推动杠杆5，使其绕十字片簧8的回转中心转动而推动中间传力杆7围绕波纹管4组成的多向回转中心旋转，由于中间传力杆与转接座17用片簧相连，因而推动测头在X方向“预偏置”。Z向加力机构是利用电磁铁9产生的，当电磁铁作用时，在Z向产生的上升或下降会通过顶杆12推动被悬挂的Z向的活动导轨板，从而推动测头在Z方向“预偏置”。测头附件——测端为了扩大测头功能、提高测量效率以及探测各种零件的不同部位，常需为测头配置各种附件，如测端、探针、连接器、测头回转附件等。测头附件——探针探针是指可更换的测杆。在有些情况下，为了便于测量，需选用不同的探针。探针对测量能力和测量精度有较大影响，在选用时应注意：1）在满足测量要求的前提下，探针应尽量短；2）探针直径必须小于测端直径，在不发生干涉条件下，应尽量选大直径探针；3）在需要长探针时，可选用硬质合金探针，以提高刚度。若需要特别长的探针，可选用质量较轻的陶瓷探针。测头附件——连接器为了将探针连接到测头上、测头连接到回转体上或测量机主轴上，需采用各种连接器。常用的有星形探针连接器、连接轴、星形测头座等。测头附件——回转附件对于有些工件表面的检测，比如一些倾斜表面、整体叶轮叶片表面等，仅用与工作台垂直的探针探测将无法完成要求的测量，这时就需要借助一定的回转附件，使探针或整个测头回转一定角度再进行测量，从而扩大测头的功能。三坐标测量机——测量软件分为基本测量软件、专用测量软件和附加测量软件基本测量软件：必备的最小配置软件，负责完成整个测量系统的管理，通常具备以下功能（1）运动管理功能：包括运动方式选择、运动进度选择、测量速度选择；（2）测头管理功能：包括测头标定、测头校正、自动补偿测头半径、各向偏置、测头保护和测头管理。（3）零件管理功能：确定零件坐标系及坐标原点、不同坐标系的转换。（4）辅助功能：坐标系及单位的选择。（5）输出管理功能：输出设备选择、输出结果及格式的选择；（6）几何元素测量功能：专用测量软件：是针对某种具有特定用途的零部件的测量问题而开发的软件。附加功能软件：为增加三坐标测量机的功能和用软件补偿的方法提高测量精度提供的软件，有附加驱动软件、最佳配合测量软件、统计分析测量程序软件、随行夹具测量软件三坐标测量机——测量软件2.2数据处理流程数据预处理目的：获得完整、正确的测量数据以方便后续的造型工作。主要工作：格式转换、数据过滤及平滑、分块数据整合对齐、球头半径补偿、数据精简、数据分割1、格式转换每一个CAD系统都有自己的数据文件，其系统内部产品模型的数据结构和格式各不相同，极大地影响了设计和制造各部门之间或企业之间的数据传输和程序衔接的自动化，给数据通讯带来困难。主要的数据交换标准：IGES、STEP、STL等。在CMM和CAD/CAM系统之间以IGES格式传输数据成为标准的选择和配置。2、球头半径补偿二维自动补偿方法：在测量时，将测量点和测头半径的关系都处理成二维情况，并将半径计算编入测量程序中，在测量时自动完成数据的测头补偿。根据补偿时间可分为实时自动补偿和事后数据处理补偿。压力矢测头测头球心轨迹物体轮廓触点3．异常点（误差点）处理采用人工交互检查、调整的方法对于截面数据，若在同一截面的数据扫描中，存在一个点与其相邻的点偏距较大——跳点，判断的方法有：（1）直观检查法——屏幕上直接剔除；（2）曲线检查法——根据点到拟合曲线（过首末点）的距离是否超过所给定的允差；（3）弦高差方法——根据点到弦（过检查点前后两点）的距离是否超差；4．数据拼合——三点拼合标记球法数据拼合－三点拼合MARK点法数据拼合－最临近点迭代(ICP)法＋初始对正确定两点云数据的重叠区域ICP数据拼合——实例5．数据平滑目的：消除噪声，以得到精确的模型和好的特征提取效果。采用平滑法处理方法，应力求保持待求参数所能提供的信息不变。有平均法、五点三次平滑法和样条函数法。6．数据处理流程2.3数据测量与处理实例例：汽车覆盖件——点云数据的处理（900,000个点）原始数据：体外点，噪声点删除体外点删除噪声点消除体外点及噪声点后的点云效果比较数据精简：150,000第3章三维C