逆向工程及快速原型制造

第三章先进制造工艺技术第五节快速原型制造反求工程出现反求思维在工程中的应用源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则是60年代初出现的日本在60年代初提出科技立国方针：一代引进、二代国产化、三代改进出口、四代占领国际市场ReverseEngineering反求工程定义广义定义：针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。它是以先进产品设备的实物、软件（图纸、程序、技术文件等）或影像（图片、照片等）作为研究对象，应用现代设计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统深入的分析和研究，探索其关键技术，进而开发出同类的先进产品。包括：设计反求（几何、材料）、工艺反求等狭义定义：根据实物模型的坐标测量数据，构造实物的数字化模型（CAD模型），使得能利用CAD/CAM、RPM、PDM及CIMS等先进技术对其进行处理或管理。包括：几何形状的反求反求工程目标反求工程并不限于样件复制，目标是：在获得实物基本数据的条件下，对数据进行必要的处理，对模型进行分析、修改等。反求工程与正向工程正向工程：（正向设计）是根据市场需求，提出目标和技术要求，进行功能设计，变为产品市场需求，设计要求―设计师的创造性活动―产品怎么做反求工程：从已知事物的有关信息，去寻求这些信息的科学性、技术性、先进性、经济性、合理性、国产化的可能性等等，再回溯这些信息的科学依据，即充分消化与吸收，更重要的是在此基础上进行改进、挖潜和再创造已知事物―消化、再创造―市场竞争的新产品为什么这样做反求工程步骤数据获取DataCapture数据预处理Preprocessing数据分块与曲面拟合SegmentationandSurfacefittingCAD模型生成CADmodelcreation测量机分类接触式三坐标测量机（CMMcoordinatemeasuremachine）机械手非接触式光学测量声学测量磁学测量破坏式——自动断层扫描接触式测量机工作方式：点触发，连续或间断式数据采集特点：不受物体表面颜色及光照的限制，对物体边界也能产生准确的测量结果缺点：由于测头的限制，可能丢失某些测头不可到达的细节数据不能测量软材料测量速度受到机构运动的限制3DCoordinateMeasuringMachine三坐标测量机（CMM）一般工作台面是花岗岩，测头为宝石意大利COORD3公司半桥式CMM测量机龙门式CMMCMM系统组成计算机控制零件程序的执行和进行结果处理，实现与外设的通讯数控设备计算机和测量机的接口，控制测量机运动测量机机体底座、工作台、立柱、导轨、测头、驱动电机高精度三维测量仪花岗岩导轨气压轴承光学尺感应无牙螺杆自动触发探头机械手式测量机测量方法：操作者手持测量手臂，末端探针接触被测量物体表面时按下按钮，记录坐标和探针手柄方向，通过串口线传到各种软件包上FaroARM手动式精度低，范围大Cimcore手动式接触式测量数据光学测量机激光三角形法激光测距法投影光栅法图像分析法特点：高速测量，短时间内测量大量的点缺点：对表面粗糙和表面漫反射率敏感（如透明、高光）激光三角形法原理：激光带投射到被测物体表面，反射光在图象传感器上成像，按照预设定的三角形光路原理的测到被测物体的坐标，物体的全轮廓是通过多轴可控机械运动辅助获得laserstripetriangulation原理图23,000pointspersecond.3DScanners三维激光扫描仪（3Dlaserscanners）Scantech三维激光扫描仪非常便于安装在所有CNC机床上，无论其大小。可以安装于任何3轴、5轴铣床或3轴车床，激光扫描仪比探针扫描仪快10倍，还可以扫描柔软和易碎的物体。3DScanner•CyberWare测量机Cyberware公司的三维扫描仪，在80年代就被迪斯尼等动画和特技公司采用，用于终结者II，侏罗纪公园，蝙蝠侠II，机械战警等影片。还用于快速雕塑系统。90年代的扫描仪可对人体全身扫描，给出对象的多边形、NURBS曲面、点、Spline曲线方式描述，可进行彩色扫描。扫描速率可达1.4万点/秒。3030RGB型扫描物体的尺寸在30cm，深度方向测量精度100-400μm，用于动画、人类学研究、服装设计等方面。CyberWare测量机构成：•平台•传感器（光学系统）•计算机•处理软件Cyberware激光测距法激光束的飞行时间转化为被测点与参考平面间的距离投影光栅法采用普通白光将矩形光栅投影于物体表面，摄取变形光栅图像，根据灰度值变化，算出空间坐标ATOS流动光学三坐标测量系统atos贴标签定位Atos测量数据光照图图像分析法利用高分辨率的数码相机，拍摄多个图像，利用一个点在多个图像中的相对位置，通过视差计算距离，从而得到点的空间坐标。自动断层扫描逐层去除材料与逐层扫描相结合的方法1)将待测零件用专用树脂材料（填充石墨粉或颜料）完全封装，2)待树脂固化后，固定到铣床上，进行微吃刀量切削，得到包含零件和树脂材料的截面，3)移到CCD摄像机下，对当前截面进行采样量化，由于封装材料与零件存在明显边界，利用滤波、边缘提取、纹理分析、二值化等数字图像处理技术进行边界轮廓提取，得到各轮廓的坐标值。4)重复步骤2、3，再到铣床上切削，再分析。自动断层扫描数据测量中的问题精度标定透镜变形，非线性因素等的影响，存在系统传感误差不可测量性阴影、障碍物，夹具多个视点测量，再进行多视拼合测量噪声被测物体表面特征的影响光洁度、表面涂层对光线的反射率头发测量，粗糙表面的典型实例测量数据类型散乱点云（PointCloud）扫描线点云网格化点云三角网格点云多边形点云散乱点云数据测量点没有明显的几何分布特征，呈散乱无序状态随机扫描下的CMM，光学测量系统多张数据拼合后扫描线点云点云由一组扫描线组成，扫描线上的所有点位于扫描平面内CMM、激光三角形测量系统沿直线扫描、线结构光扫描测量网格化点云点云中所有点都与参数域中一个均匀网格的顶点对应网格化插值网格数据表示三角网格点云点云中的点与邻点构成三角网格拓扑关系ATOS流动光学三坐标测量机多边形点云测量点分布在一系列平行平面内，用一小线段将同一平面内距离最小的若干相邻点依次连接，可形成有嵌套的平行多边形层切法、核磁共振、工业CT数据预处理内容数据拼合数据光滑数据简化数据修复数据分块数据拼合也叫多视拼合，因为一次测量完成对全体件的数字化是很困难的CMM中多次装夹光学测量仪中，多视角测量可以在测量过程中由软件自动拼合，也可以在测量结束后输入到反求工程软件中拼合数据光滑实际测量过程中受到人为或随机因素的影响，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，有必要对数据进行平滑滤波。人机交互程序滤波变形光顺人工交互程序滤波局部特征去除光顺效果光顺效果数据修复测量过程中因为贴定位片、遮挡等原因导致部分数据测量不完整重新测量软件中修补数据修复修复数据简化按数据点间的距离指定数据点间的临界距离，两个测点间的距离小于临界距离，则删除其中的一个。按给定的法向精度根据删除一个点在曲面法向引起的误差大小作为测点删除的依据。测点到最小二乘拟合曲面的垂直距离作为删除该点引起的近似法向误差，若小于某一阈值，删除该点。曲率较小的地方分布较少的点，曲率大或尖锐棱边保留较多的点。给定距离简化全站仪激光免棱镜激光相位式测距技术，一定距离内不需任何协作目标就可以测量·激光束细、亮，使得测量免受栅栏、树枝等物体的影响，也可迅速定位于细小的定位点：墙角、物体尖端等，极大方便了测量工作·键盘操作快捷采用了软键和数字键盘相结合的方式适用于建筑放样、道路放样、地形地籍测量及控制点测量等测量工作。LDT50激光电子经纬仪光束在多云白天条件下，工作范围达400米，在管道，地下等黑暗环境下，工作范围更远。·激光束可以在聚焦模式和平行模式下切换。·激光光斑非常逼近圆型。判断光斑中心非常简单精确。一、简介在新产品的开发过程中，总是需要对所设计的零件或整个系统在投入大量资金组织加工或装配之前加工一个简单的例子或原型。在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前，工作原型可以对产品设计进行评价、修改和功能验证。快速成型制造技术一个产品的典型开发过程是从前一代的原型中发现错误或从进一步研究中发现更有效和更好的设计方案，而一件原型的生产极其费时，模具的准备需要几个月，一个复杂的零件用传统方法加工非常困难。快速原型制造技术产生的背景市场变化客户要求计算机技术材料科学CAD/CAM能源科学RP快速成型(RapidPrototyping)技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称，它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。一个更为人们关注的问题是一个产品从概念到可销售的成品的流程速度。同时，还有一个更为令人关心的问题是产品的高质量生产。由于这些原因，努力使高质量的产品快速的进入市场就显得极为重要。快速成型技术问世这些年，已实现了相当大的市场，发展非常迅速。快速原型技术的优点：1.快速原型作为一种使设计概念可视化的重要手段，计算机辅助设计的零件的实物模型可以在很短时间内被加工出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。2.由于它是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决，因此，它能制造任意复杂型体的高精度零件，而无须任何工装模具。3.快速原型作为一种重要的制造技术，采用适当的材料，这种原型可以被用在后续生产操作中以获得最终产品。4.快速原型操作可以应用于模具制造，可以快速、经济地获得模具。5.产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现自由制造(FreeFormFabrication)，这是传统制造方法无法比拟的。二、快速成型的基本原理基于材料累加原理的快速成型的操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。快速成型的一般工艺过程原理如下：1.三维模型的构造。在三维CAD设计软件（如Pro/E、UG、SolidWorks、SolidEdge等）中获得描述该零件的CAD文件。目前一般快速成型支持的文件输出格式为STL模型，即对实体曲面近似处理,即所谓面型化(Tessallation)处理,是用平面三角面片近似模型表面。这样处理的优点是大大地简化了CAD模型的数据格式,从而便于后续的分层处理。在三维CAD设计软件对CAD模型进行面型化处理时,一般软件系统中有输出精度控制参数，通过控制该参数，可减小曲面近似处理误差。如Pro/E软件是通过选定弦高值(ch-chordheight)作为逼近的精度参数，如图为一球体,给定的两种ch值所转化的情况。不同ch值时的效果(a)ch=0.05(b)ch=0.22.三维模型的离散处理。通过专用的分层程序将三维实体模型分层，通过一簇平行平面沿制作方向与CAD模型相截,所得到的截面交线就是薄层的轮廓信息,而实体信息是通过一些判别准则来获取的。快速成型原理图(a)零件的三维模型(b)零件被分层离散(c)支撑材料(d)采用熔积法对图(e)A-A截面加工的挤压路径分层切片是在选定了制作(堆积)方向后,需对CAD模型进行一维离散,获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。平行平面之间的距离就是分层的厚度,也就是成型时堆积的单层厚度。轮廓是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构成。由于分层，破坏了切片方向CAD模型表面的连续性,不可避免地丢失了模型的一些信息,导致零件尺寸及