反求工程课件课件

1、反求工程天津大学机械工程学院李 佳QQ: 16107080第一章第一章 概论概论 一、反求工程的产生背景1仿制已有产品2基于已有设计的产品开发3数字临床技术4考古文物复原二、反求工程定义1 反求工程(Reverse Engineering, RE)，也称逆向工程、反向工程，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据，通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型，进行再设计并完成产品制造的过程。2 反求工程是一个从样品生成产品数字化信息模型，并在此基础上进行产品设计开发及生产的全过程。3 消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。三、反求技术内涵以先进产品的实物、软件(图样、程序

2、、技术文件等)或影像(图片、照片等)为研究对象，应用现代科技方法和相关专业知识对其进行系统的分析和研究，进而制造出新一代产品。所谓“逆向”，是针对通常的先有设计意图再制造出实物的设计制造流程而言的。有人将反求工程和盗版Copy混为一谈，认为反求实质上就是窃取，这样理解是错误的。反求之所以会上升到工程的概念，是因为它“是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计基础上的再设计”。反求不是Copy，继承与创新才是反求的真谛，在世界经济发展如此迅速的今天，反求工程技术的应用，无疑是企业快速发展的

3、捷径广义反求和狭义反求广义地看，反求无处不在、绝大部分产品都是反求得到的，哪怕是新设计的产品从技术实现层面上看，反求又是各项单元技术的组合，因此研究开发这些单元技术也算是从事反求工作目前普遍理解的反求是根据实物进行反求设计与制造，是狭义的四、反求工程的发展 反求工程最早是60年代在日本提出的，当时叫做反求设计1. 二战之后，日本急于振兴民族，恢复本国经济，于是就提出“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”的战略方针。开始先从外部引进先进的技术、设备，然后在此对它们进行继承与借鉴的基础上发现其中的缺陷与不足，进行深层次的改进，最后再打出自己的品牌 反求工程源于日本，世界上运用的最

4、好的也是日本。它应用反求工程技术消化、吸收引进的技术，在原有的基础上进行创新，使日本国民经济从50年代落后先进国家二三十年，到70、80年代成为世界第二号经济强国中国也不乏反求的例子，最典型最成功的反求工程就算是海尔了，它一开始借鉴德国的海尔技术与管理模式，又在其基础上进行继承与创新，现在已经成为世界知名品牌五、反求工程的技术实现 1、数据采集2、三维重构3、再设计4、制造六、反求工程的应用领域 1、飞机、造船2、汽车3、各类机械产品4、玩具5、数字临床技术 文物复原 个体化制鞋七、反求的技术类型u基于实物的反求工艺品汽车工程机械玩具u基于设计图纸的反求外来设计图纸已有产品设计图纸测绘图纸产品

5、草绘图八、反求基本过程产品反求1.分析产品功能、工作原理、设计思想、生产工艺2.分解部件、测绘零件3.再设计4. 加工制造、装配 零件反求第二章第二章 反求工程系统反求工程系统 一一、反求工程系统的构成1 数据采集与处理子系统三座标测量机光学扫描仪2 模型重建子系统逆向软件CAD/CAM系统3 产品制造子系统快速原型系统模具制造系统系统应用实例1（米老鼠原型）（RE/CAD/CAM/CNC/RT/RP系统集成）Miki-Mouse原型 操作步骤1:曲面构建步骤一: 數位訊號輸入點群資料、过滤及选取 2:曲面构建步骤二: 几何曲面模型的建立曲面的分析與檢測3:曲面构建步骤三: 透過igs 輸出到

6、類比訊號修飾曲面的平滑度並縫合曲面間隙做offset 或 shell 轉為實體做公母模與RP件4:透過stl輸出到 RP前處理軟體lighyear:做破洞縫補做物件支撐的建構刮板參數物件支撐的建構5:透過bff輸出到RP机做SLA成型 点云数据 igs文件CNC加工件 模具设计STL文件圖示範例 背面組裝件(工模、RP-原型、 母模) 快速原型 模具加工（CNC） 系统应用实例2(汽车覆盖件)车身四面扫描测量结果车身顶部平面扫描结果多视拼接结果特征网格NURBS曲面模具设计数控编程数控编程与加工冲压成型NURBS曲面系统应用实例3(个体化颅骨修复)第三章第三章 反求工程设备与工具反求工程设备与

7、工具 一、接触式测量设备 YXB-龙门式三坐标测量机测量精度(有三种选择):(1)2.5 + L/300 (2)2.5 + 2L/300 (3)2.5 + 4L/300 详细规格:测量行程:XYZ(mm)120015001000外形尺寸: LWH(mm)220025004000工件限重:800 kg配置信息 配置名称配置列表 配置1 配置2 配置3 测量器具YXB Renishaw 光栅尺Renishaw RSF HEIDENHAIN 电机SANYO 控制系统YXB Renishaw Pantec 机身结构气浮结构 台面材料大理石平台 测量软件 RationalDMIS 二、非接触式测量设备

8、三维激光扫描仪主要技术参数：二次元测头分辨率0.001mm二次元测量精度0.02mm三维测量精度0.05mm（有效景深100mm）测量景深100mm单次扫描宽度50mm数据输出格ASC三、快速原型系统 SPS600激光快速成型机激光快速成型机激光快速成型实例激光快速成型实例四、三维重构系统（逆向软件） SurfacerImageware3DDoctorMimicsGeomagic Imageware软件模块：基础模块文件存取、显示控制、数据结构点处理模块 读取点云数据、点云数据抽样达到合适的密度、整齐化/有序化点云、点云剖面、点云的全方位模型、修建点云曲线、曲面模块完整的曲线、曲面建模工具和修

9、改工具扫掠、放样、倒角、翻边、偏置等 多变形造型模块 完美的三角形数据处理 输入/输出STL文件检验模块 提供大量工具输入CAD数据，用来与重构数据进行比较，分析误差评估模块 提供定性和定量评估模型总体质量的工具 定性评估模型的美学质量 定量评估模型的精确性工作过程：点处理点云对齐、点云分割、点云处理、点云减少、特征抽取、点云多变形化曲线创建 多种曲线构建方法:自由曲线拟合基本曲线拟合基于曲线创建曲线 基于曲面创建曲线曲线编辑操作：合并曲线曲线延伸曲线修整 曲线查询曲面创建过程 多种曲面构建方法:直接构建基本曲面由点云直接建立曲面由点云和曲线拟合曲面拟合自由曲面 曲面编辑操作：偏移、剪断、分割

10、、修整、修改、延伸、缝合、合并、圆过渡、孔填充、剪切、曲率半径计算、显示控制嗲网格、识别轮廓等五、CAD/CAM软件系统Unigraphics(UG) & SolidEdgePro/Engineer (Pro/E)I-DEASCATIACimatronSolidWorkInventor六、数控加工装备 加工中心 数控铣床 电火花机床 数控雕刻机接触式测量 三坐标测量机是一种大型精密的三坐标测量仪器，可以对形状复杂的工件的空间尺寸（数据）进行测量。 坐标测量机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。 二十世纪九十年代初，英国Renishaw公司研制出一种三维力一位移

11、传感的测量头，该测头可以在工件上滑动测量，连续获取表面的坐标数据。 坐标测量机主要优点是测量精度高，适应性强，但测量效率低，而且对一些软质表面无法进行测量。 只能反求外部形状只能反求外部形状一、数据采集技术第四章第四章 反求工程关键技术反求工程关键技术 层析法将被反求的零件原形填充后，采用逐层铣削和逐层光扫描相结合的方法获取零件原形不同截面的内外轮廓数据，并将其组合起来获得零件的三维数据。 层析法的优点在于对任意形状、任意结构零件的内外轮廓进行测量，但测量方式是破坏性的。 可以反求内部形状可以反求内部形状(2) 非接触式测量非接触式测量根据测量原理的不同，大致有光学测量、超声波测量、电磁测量等

12、方式。 基于光学三角型原理的逆向工程扫描法这种测量方法根据光学三角型测量原理，以光作为光源，其结构模式可以分为光点、单线条、多光条等。将其投射到被测物体表面，并采用光电敏感元件在另一位置接收光的反射能量，根据光点或光条在物体上成象的偏移，通过被测物体基平面、象点、象距等之间的关系计算物体的深度信息。 基于相位偏移测量原理的莫尔条纹法这种测量方法将光栅条纹投射到被测物体表面，光栅条纹受物体表面形状的调制，其条纹间的相位关系会发生变化，然后用数字图像处理的方法解析出光栅条纹图像的相位变化量，进而获取被测物体表面的三维信息。 基于CT和ICT断层扫描图像逆向工程法对被测物体进行断层截面扫描，以X射线

13、的衰减系数为依据，经过处理重建断层截面图像，根据不同位置的断层图像可建立物体的三维信息。 该方法可以对被测物体内部的结构和形状进行无损测量。该方法造价高，测量系统的空间分辨率低，获取数据时间长，设备体积大。美国LLNL实验室研制的高分辨率ICT系统测量精度为0.01mm。 立体视觉测量方法根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个（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。 该方法可以对处于两个（多个）摄象机共同视野内的目标特征点进行测量，而无须伺服机构等扫描装置。 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

14、。近来出现了以将具有空间编码的特征的结构光投射到被测物体表面制造测量特征的方法有效解决了测量特征提取和匹配的问题，但在测量精度与测量点的数量上仍需改进。 二、数据平滑技术平滑处理方法简单平均法Pi=1/(2N+1)h(n)p(i-n)(n=-NN)其中h(i)为滤波因子，p为平滑前的点，为平滑前的点，P Pi为平滑后的点为平滑后的点加权平均法取h(i)=h(-N)， ， h(0)， ， h(N)，有h(n)=1(n=-NN)线滑动平均法利用最小二乘法对离散数据进行线性平滑，三点平滑平均时N=1，此时有Pi=1/3(p i-1+ p i+ p i+1 ) （i=1，2， ，m-1）P0=1/6(

15、5 p 0+2 p 1- p 2 )Pm=1/6(p m-2+2 p m-1+5 p m )点云的平滑滤波中值滤波法平均值滤波法高斯滤波法工件与支撐三、支撑设计技术增强支架结构三角支架结构 旗状结构 悬臂式结构 网格状结构 点接触锯齿状结构网状分岔结构手工编辑支撑第五章第五章 典型案例典型案例 一、发动机排气管反求发动机排气管反求 基本步骤：分析实物原型 外形复杂，曲面变化较大且不规则可采用多种测量方法是数据的采集方案要符合造型的思路排气管表面为完全无规则的空间曲面但整个几何形状是由排气管轮廓曲线及可变截面轮廓线来控制的可以通过变截面扫描物体的方法来创建排气管的曲面模型优点是采集的数据少，造型

16、时几何模型表面光滑，有利于滤掉测量过程中产生的随机扰动和原始零件固有的缺陷也可以对排气管表面进行分层截面轮廓测量，但这种方法数据采集工作量大，曲线处理的工作量也很大，且通过这些曲线所创建的曲面上会存在明显的凸凹不平波纹 反求系统美国brown&sharpe公司生产的microxcel pfx454型三坐标测量机Renishaw测头及随机软件PC-DMIS 3.0Cimatron CAD/CAM测量机测头校验保证软件能够计算球心相对于测量机坐标系零点的位置计算测头的等效直径，进行测头半径补偿考虑如何建立被测量物体的坐标系，要对物体进行哪几个方向的测量，对测头在这几个方向要一一进行校验测头

17、校验后，要考虑排气管在工作台上怎样装夹，严格按照测量要求，使用专用夹具，将工件固定在工作台上，以保证精度要求。 物体坐标系的建立 坐标系的建立正确与否，直接关系到数据处理能否顺利进行、造型是否正确排气管在测量过程中，不可能一次装卡测完所有数据为了保证在不同的坐标系测量的数据，能够进行整合，构成被测物体的统一数字模型，要求在不同的测量过程中，确立的坐标系能够统一起来实测中取上端面第一个圆心为坐标原点，至于轴向问题可通过Cimatron CAD/CAM软件坐标变换功能得到统一建立坐标系分为三步：零件的找正、旋转到轴线、设置原点 a、零件的找正根据排气管的几何形状，选用排气管的底面作为找正平面。在底

18、面上测三点，确定一个平面b、旋转到轴线以底面四个近似椭圆圆心连线作为轴线（Y轴）c、设置原点利用此基准可把不同坐标系测得的元素整合在一起。根据分析，以底面四个椭圆靠边上的一个椭圆圆心为原点分别建立坐标系排气管的外形复杂，不可能一次测量完所有数据，根据分析需要两次测量分别建立坐标系，并保证这两个坐标系原点尽量统一两坐标系分别保存 分析特征曲线 根据排气管的几何形状可知，排气管的整体形状是由排气管的轮廓曲线和变截面线来控制的为了将来造型逼真，严格的说是应该由各个变截面曲线的中心点的连线而构成的但是在测量和数据处理时很难达到这一点所以测量时是根据排气管的分型线和管表面与肋板的交线来作为轮廓曲线这样做的缺点是测量出来的轮廓曲线很不光滑可在后面的数据处理中进行光顺处理数据采集 根据以上分析，排气管的整体几何形状可由排气管的轮廓曲线以及可变截面来控制由于排气管外形较复杂，分为两次测量曲率变化比较明显的地方增加测量点。 数据格式转换及处理 根据设计系统的需要选择IGES、STEP通用格式输出在测量曲面轮廓时，测头很难准确接触到模型的棱线上，造成所测曲线的光滑性比较差由于测头和棱线的接触法矢方向难以保持一致，有可能造成测量结果在三维空间内有明显的波动这就需要对被测曲线做光滑性处理使这些点同时投影