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逆向工程技术 第八章 CAD CAM技术 本章学习目标 了解逆向工程的基本概念了解逆向工程系统的组成和工作原理了解逆向工程的应用实例 提高专业兴趣了解逆向工程研究和应用的最新发展 重点 逆向工程的概念及工作原理 难点 快速模具的方法 学习内容 逆向工程概述逆向工程系统组成及工作原理逆向工程应用实例快速原型与快速模具 逆向工程 逆向工程 ReverseEngineering简称RE 又称反求工程或逆向设计 是将已有产品模型 实物模型 转化为工程设计模型和概念模型 并在此基础上进行工程分析和再创新设计的一种方法和应用技术 可有效提高产品的技术水平 缩短设计周期 增强产品竞争力 是消化 吸收先进技术 进而创新和开发各种新产品的重要手段 逆向工程作为吸收先进技术的一种手段 使产品研制周期缩短百分之四十以上 掌握逆向工程技术 对我国国民经济的发展 科学技术水平的提高和企业快速响应市场能力的提升 具有重要的工程意义 1 逆向工程概述 正向工程 逆向工程 逆向工程的关键技术 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图8 1所示 正向工程 逆向工程 逆向工程通常是对某一实物样件或模型 称为零件原型 如汽车的外形 鞋楦模等 进行仿制 目前 针对已有样件 尤其是包含有复杂不规则自由曲面的样件 可利用三维数字化测量仪器准确 快速地测量出产品外形数据 在逆向软件中构建曲面模型 再输入CAD CAM系统进一步编辑 修改 由CAM生成刀具NC代码 加工路径 送至数控机床 CNC 制作所需模具 或者由快速成型机 RP 将样品模型制作出来 其流程如图8 2所示 图8 2逆向工程流程图 逆向工程主要包括以下四个步骤 1 零件原型的数字化 2 零件原型的特征识别与提取 3 零件原型CAD模型的重建 4 CAD模型的检验与修正 逆向工程大致应用在以下几种情况 1 许多使用粘土或泡沫模型代替CAD设计的情况 最终需要运用逆向工程将这些实物模型转换为CAD模型 2 外形设计师倾向使用产品的比例模型 以便于产品外形的美学评价 最终可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 3 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 7 在快速原型制造 RPM 中 逆向工程的最主要表现为 通过逆向工程 可以方便地对快速原型制造的原形产品进行快速 准确的测量 找出产品设计的不足 进行重新设计 经过反复多次迭代可使产品完善 逆向工程与传统正向设计制造过程是截然不同的设计流程 逆向工程中 按照现有的零件原型进行设计生产 零件具有的几何特征与技术要求都包含在原型中 而正向设计是根据零件最终所承担的功能以及各方面的影响因素进行从无到有的设计 因此 从概念设计出发到最终形成CAD模型的传统设计是一个确定的明晰过程 而通过对现有零件原型数字化后再形成CAD模型的逆向工程是一个推理 反复逼近的过程 具有功能导向 描述模式 系统仿造等特性 逆向工程的关键技术 零件的数字化和计算机辅助反向建模 ComputerAidedReverseModeling 简称CARM 是逆向工程的两项关键技术 2 逆向工程系统及工作原理 逆向工程系统组成 逆向工程的测量技术 测量数据预处理技术 模型重建技术 逆向工程软件 逆向工程系统组成 1 测量测头分接触式和非接触式 2 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 数控加工设备 7 快速原型机 8 产品批量生产设备 逆向工程的测量技术 1 测量方式 2 测量设备 3 接触式测头及工作原理 4 非接触式测头及其工作原理 在产品开发中 采用逆向工程方式处理的产品往往具有尺寸不易掌握的特性 如自由曲面的外观造型等 因此 逆向工程的首要任务就是取得所需的点数据 用于后续的模型构建 现介绍逆向工程的数据测量技术 测量方式 逆向工程多用三维立体测量 具体有 接触式测量与非接触式测量 1 接触式测量 接触式测量的优点有 接触式测量不受样件表面的反射特性 颜色及曲率影响 配合测量软件 可快速准确地测量出物体的基本几何形状 如面 圆柱 圆锥 圆球等 接触式测量的机械结构及电子系统已相当成熟 有较高的准确性和可靠性 接触式测量的缺点有 确定测量基准点而使用特殊的夹具 测量费用较高 测量系统的支撑结构存在静态及动态误差 检测某些轮廓时 可能会有先天的限制 以逐点进出方式进行测量 测量速度慢 测头尖端部分与被测件之间发生局部变形影响测量值的实际读数 不当的操作容易损害样件 也会使测头磨耗 损坏 采用接触式测头测量时 由于测头半径的影响 得到的坐标数据并不是测头所触及的表面点的坐标 而是测头球心的坐标 如要求得物体真实外形则需要对测头半径进行补偿 图8 3探头半径补偿原理图 2 非接触式测量 非接触光学测量有如下优点 没有测量力 测量速度和采样频率较高 不必进行测头半径的补偿 不少光学测头具有大的量程 同时探测的信息丰富 但非接触式测量也还存在一些缺点 测量精度较差 使用CCD作探测器时 成像镜头的焦距会影响测量精度 非接触式测头是接收工件表面的反射光或散射光 测量结果易受环境光线及工件表面的反射特性的影响 噪声较高 噪声信号的处理比较麻烦 表8 1激光扫描非接触测量和三坐标测量机接触测量的技术特点比较 2 测量设备 1 坐标测量机 坐标测量机 CoordinateMeasuringMachine 简称CMM 是一种精密的三坐标测量仪器 三坐标测量机可分为主机 测头 电气系统三大部分 图8 4三坐标测量机的组成 图8 5三坐标测量机的主机结构 CMM是典型的接触式测量系统 一般采用触发式接触测量头 一次采样只能获取一个点的三维坐标值 使用CMM时必须设定较多参数 一般来说 扫描方向与模型陡峭面成正交为佳 由于工件表面形状不一 故常常要将工件分成不同的区域 使用不同的参数扫描 若测量复杂形状的工件 则比较耗时 CMM主要优点是测量精度高 适应性强 但一般接触式测头测量效率低 而且对一些软质表面无法进行测量 2 多轴关节式机械臂 机械臂 Robot 也属于接触式测量仪 这种测量机几乎不受方向限制 可在工作空间做任意方向的测量 精度不高为其主要缺点 一般常用于大型钣金件模具的逆向工程测量 3 激光扫描测量仪 激光扫描测量仪用于非接触式测量 四自由度激光扫描测量仪工作台具有线性位移及旋转的功能 可带动CCD测头做逐线扫描 并配合工件的旋转完成多角度扫描的功能 基本上只要决定点的密度 扫描范围即可 若遇到不感光或是全反射的表面 则必须喷漆或另外处理 4 激光跟踪测量系统 激光跟踪测量系统属球坐标式测量仪器 工作原理如图8 6所示 此类设备较适合做大型物体轮廓的测量 如飞机或汽车外型等 图8 6激光跟踪仪原理图 3 接触式测头及工作原理 硬式测头 HardProbe或MechanicalProbe 触发式测头 TouchTriggerProbe 及模拟式测头 AnalogProbe 等三种 图8 7接触式测头工作原理 a 硬式测头 b 触发式测头 c 模拟式测头 1 硬式测头 硬式测头即机械测头 硬测头多用于精度要求不太高的小型测量机中 成本较低 操作简单 2 触发式测头 触发式测头采用电子开关机构 触发信号由电子开关控制 其重复性 准确性均较高 可达l m以内 不受人为因素影响 图8 8三点触发式探头 3 模拟式测头 模拟式测头接触工件时会有侧向位移 光栅尺被感应 产生电压变化 此模拟电压信号转换成数字信号送入处理器记录下来 这种测量方式称为模拟式测量 图8 9Zeiss三维电感测头 4 非接触式测头及其工作原理 非接触式测头一般用于不规则曲面的测量 非接触式测主要以光学测头为主 随着光电子技术的发展 光学测头已经是探测技术的一个重要发展方向 光学测头一般是基于三角法测量原理 图8 10非接触式三角法测量模式 a 点测量 b 线测量 c 面测量 1 三角法位移测量原理 则被测面的位移 为 单点式激光三角法测量有直射式和斜射式两种结构 则被测面的位移x为 则被测面的位移 为 式中 激光束光轴和接收透镜光轴的交点到接收透镜前主面的距离 激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角 接收透镜后主面到成像面中心点的距离 a 直射式结构 b 斜射式结构图8 11三角法测量原理图1 激光器 2 汇聚透镜 3 被测表面 4 接收透镜 5 光电探测器 图8 11 b 所示为斜射式三角测量原理图 激光器发出的光和被测面的法线成一定角度照射在被测面上 同样用接收透镜接收光点在被测面的散射光或反射光 若光点成像在探测器敏感面上移动x 则物体表面沿法线方向的移动距离x为 8 2 式中 激光束光轴和被测面法线的夹角 成像透镜光轴和被测面法线的夹角 直射式和斜射式相比各有特点 斜射式可接收来自被测物体的正反射光 直射式由于其接收散射光的特点 适合于测量散射性能好的表面 斜射式入射光点照射在物体不同的点上 因而无法知道被测物体某点的位移情况 而直射式却可以 斜射式传感器分辨力高于直射式 但它测量范围小 体积大 2 视觉测量基本原理 图8 12线结构光测量物体表面轮廓结构示意图 3 立体视觉测量技术 立体视觉测量是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个 或多个 摄象机拍摄的图像中的视差 以及摄象机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值 立体视觉测量面临的最大困难是空间特征点在多幅数字图象中提取与匹配的精度与准确性等问题 产品外形数据是通过坐标测量仪来获取的 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 同时由于实物几何和测量手段的制约 在数据测量时 会存在部分测量盲区和缺口 给后续的造型带来影响 所以需要对测量数据进行平滑处理 不同方位测量的多视数据进行对齐定位 不同特征区域的数据进行分割 测量数据预处理技术 1 数据平滑 2 多视数据对齐定位 3 数据分割 1 数据平滑 数据平滑的目的是消除测量噪声 以得到精确的模型和好的特征提取效果 图8 13三种常用的滤波方法 2 多视数据对齐定位 在逆向工程实际过程中 对实物样件进行数字化时 往往不能在同一坐标系下将产品的几何数据一次测出 得到的数据为多次测量数据 对激光扫描测量 需要从不同的角度对样件的各个面 以及样件局部进行放大扫描 以获取样件的多视点云 通常为处理方便 将两种情况的数据都称为多视数据或点云 由于在几何模型构建时必须将这些不同坐标系下的多视数据变换或统一到同一个坐标系中 这个数据处理过程称为多视数据的对齐 Registration 或数据拼合 重定位等 3 数据分割 数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型 将属于同一子曲面类型的数据成组 数据分割方法分为基于测量的分割和自动分割两种方法 测量的分割 适合于曲面特征比较明显的实物外形和接触式测量 操作者的水平和经验对结果将产生直接影响 自动分割 基于边 基于面 模型重建技术 在逆向工程中 实物的三维CAD模型重建是整个过程最关键 最复杂的一个环节 因为后续的产品加工制造 快速原型制造 虚拟制造仿真 工程分析和产品的再设计等应用都需要CAD数学模型的支持 这些应用都不同程度地要求重建的CAD模型能准确的还原实物样件 所以点数据的处理 曲面的构建方式以及完整的修编和分析等功能 是逆向工程曲面模型重建相当重要的部分 1 曲线拟合造型 2 曲面拟合造型 3 曲面编辑 4 点数据网格化 5 模型精度的评价 曲线拟合造型 图8 14基于曲线的模型重建过程 1 曲线拟合 插值与逼近 图8 15曲线插值过程 逼近 最小二乘法 2 曲线修编 对曲线进行修形操作 修补由于测量数据的不完整带来的拟合曲线缺陷 具有完整 连续 光滑的特点 以保证生成曲面的光顺性 3 基于曲线的曲面重建 在曲线造型完成后 可以通过不同曲面造型方法 进行曲面模型的重建工作 主要的曲面造型方式有 边界曲线 N边曲面 平行曲面 扫掠 混合 旋转 拉伸 Extend 和直纹面等 曲面拟合造型 直接对测量数据点进行曲面片拟合 获得曲面片后 经过过渡 混合 连接形成最终的曲面模型 曲面直接拟合造型既可以处理有序点 也能处理点云数据 3 曲面编辑 曲面延伸 曲面修剪 曲面参数重新定义等 4 点数据网格化 模型多采用曲面表示 造型系统也多为曲面造型系统 但在曲面转换为实体时 常常会出现一些问题 网格化实体模型表示物体形状能实现计算的自动化和少的冗余 5 模型精度的评价 1 模型精度评价指标 整体指标 局部指标 量化指标和非量化指标 2 模型精度评价方法 高斯曲率 GuassianCurvature 截面曲率 SectionCurvature 切矢 Slope 双向曲率 Porcupine 法向矢量 Normals 曲面的连续性大致分为位置连续 切线连续与曲率连续 位置连续 0阶连续 切线连续 1阶连续 曲率连续 2阶连续 逆向工程软件 专业的逆向工程软件 英国DelCAM公司产品CopyCAD 美国Imageware公司的Surfacer 美国Raindrop公司的Geomagic 英国MDTV公司的STRIM CAD CAM集成系统中也开始集成了类似功能模块 如Pro Engineer中的Pro Scantools和ICEMSurf模块 UG中的PointCloud功能 Cimatron中的ReverseEngineering功能模块等 这些系统可以接受有序点 也可以接受点云数据 极大地方便了设计人员 但与专业的逆向工程软件相比 它们的功能相当有限 逆向工程应用实例 为满足人们使用要求 鼠标的设计越来越注重人体工学 外形由简单的几何造型向复杂的自由曲面变化 以下通过综合应用PloyWorks5 1 Surfacer10 IDEAS以及Pro E等软件对鼠标进行造型的实例 介绍逆向设计工作过程 1 获取表面点数据 2 测量数据预处理 3 曲线拟合 4 曲面构建 5 曲面编辑 6 曲面检测 7 三维曲面建立 8 快速原型加工 1 获取表面点数据 图8 18非接触激光扫描仪量测鼠标 2 测量数据预处理 测量数据的预处理包括 测量数据的拼合 噪声点清除 坐标校正 截面数据点获取 数据点重新取样 截面数据点重新排序等步骤 以下是将数据导入Surfacer10软件完成此项工作的过程 1 点数据的拼合 一种方法是选取欲拼合的点群数据中数据重叠的部分 另一种是利用基本像素实现定位 图8 19完整嵌合的点资料模型 2 噪声点清除 如夹具的点数据 或其他如工件表面粗糙度影响 图8 20删除周围杂点资料 3 点云坐标校正 量测过程中 为了扫描的方便 或避免干扰激光扫描和CCD接收数据 通常点云不会与标准坐标系对齐 为方便后续工作 需要运用Surfacer软件的定位功能进行点云坐标校正 经调整的点云位置如图8 21所示 图8 21校正后的点云 4 截面数据点获取 建构曲面的曲线可以用截面方式指定平面法向量与间隔 将所需的截面点数据提取出来 截面可以用平行 圆形 放射状 沿轮廓线等方式选取 本例沿Z轴方向共平行切割30个截面 如图8 22所示 图8 22点云截面 5 点数据修补 鼠标样件由于表面某些区域缺陷 凹陷 或表面分模线沟槽 使得激光扫描结果出现局部破损 需要进行插值修补 图8 23所示为软件插值修补前后对比 图8 23点云修补前后 局部放大 6 截面数据点重新排序 图8 24截面数据点重新排序 3 曲线拟合 通过设定控制点数目和曲线平滑值 软件自动进行曲线拟合 如图8 25所示 图8 25曲线拟合 4 曲面构建 以前面生成的曲线为基础即可构建出如图8 26所示的举升曲面 图8 26构建举升曲面 5 曲面编辑 举升方式生成的曲面 通常在头尾两端会因截面资料不足 致使曲面描述不完整 这时可以根据原始点云数据 另建边界曲线 再一次构建举升曲面并与原始曲面拼合形成单一曲面 若曲线间误差太大 曲面可能会形成皱褶等不平滑情形 可以通过调整曲面的控制点或直接调整曲面的网格加以编辑 如图8 27所示 完成编辑后的曲面如图8 28所示 a 调整曲面的控制点 b 调整曲面的网格图8 27调整曲面 图8 28完整的曲面 6 曲面检测 利用曲率可分析了解曲面光顺状况 评估曲面品质好坏 图8 29利用高斯曲率分析 绿色表示平滑 部分区域出现红色或黄色说明该区域曲率变化大 若曲面某区域不光顺 则回上一步进行局部调整 图8 29利用高斯曲率检测曲面平滑度 7 三维曲面建立 将建好的曲面存为IGES格式 转入CAD CAM一体化软件进一步编辑曲面模型 图8 30所示为IDEAS软件读入IGES格式的曲面模型 图8 31所示为根据曲面模型建立的三维实体模型 图8 30IDEAS软件读入IGES格式的曲面模型 图8 31三维实体模型 8 快速原型加工 将模型存为STL格式即可输入快速原型机加工 得到实体模型 如图8 32所示 当然 模型也可以用于进一步分析 CAE 或将模型确定后直接用于开发模具 图8 32快速原型加工 快速原型与快速模具 1 快速原型的基本原理 2 快速原型的主要工艺方法 3 快速成型法的特点 4 快速模具 快速原型与快速模具 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 图8 33所示为逆向工程和快速模具应用于产品开发的过程 图8 33逆向工程 快速原型和快速模具开发产品 图8 34快速原型制造流程图 快速原型的主要工艺方法 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 图8 35LSA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 快速成型法的特点 快速成型法具有下列特点 1 系统柔性高 2 能加工成型工件的形状几乎没有限制 其零件的复杂程度与制造成本关系不大 3 具有广泛的材料适应性 没有或极少废弃材料 是一种环保型制造技术 几种典型快速原型工艺特点及常用材料见表8 2 表8 2几种典型的快速原型制造技术特点及常用材料 快速模具 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