反求工程论文

1、反求工程在快速成型技术中的应用姓名： 孔 敏 班级： 材硕 1407班 学号： M201470922 摘要摘要: 阐述了反求工程与快速成型技术的基本概念, 分析了反求工程中数据处理的主要内容, 总结了反求工程和快速成型技术的关键技术及一体化的特点, 并通过实例说明了逆向工程在快速成型中应用, 证实了该方法的有用性和可靠性。最后展望了其应用前景。关键词: 反求工程; 快速成型; 数据处理; 应用AbstractAbstract: The basic concept of reverse engineering and rapid prototyping is elaborated. The da

2、ta processing in reverse engineering is analyzed. The key technology and the integration characteristics is summarized. An example of application of reverse engineering in rapid prototyping is introduced. The method is useful and reliable. In the end, its prospect of application is illustrated.Key w

3、ords: reverse engineering; rapid prototyping; data processing; application目录1 RE 的基本概念及测量原理11.1 RE 的基本概念11.2 激光三角法测量原理12 反求工程技术23 反求工程数据处理的主要内容33.1 数据处理33.2 反求工程与快速成型的数据交换34 反求工程与快速成型一体化44.1 三维数据采集44.2 三维模型重构和关键技术44.2.1 三维模型重构44.2.2 关键技术44.3 一体化应具备的特点55 国内外反求工程技术的研究应用现状66 反求工程应用实例77 RE 技术研究的发展趋势8结束语

4、9参考文献10 1 RE 的基本概念及测量原理1.1 RE 的基本概念RE 是指根据现有的样本，利用三维数字化测量设备准确、快速地获取其轮廓坐标，经CAD 的三维曲面编辑和重构后，输入到CAD/CAM 系统，再由CAM 产生刀具的NC 加工程序代码送至数控加工设备（CNC）加工设备制作所需的模具，或者送到快速成型机将样品制作出来的过程。1.2 激光三角法测量原理RE 测量方法主要有接触式测量法、非接触式测量法和逐层扫描法。非接触式测量法又分为极线约束法、投影光栅法和激光三角形法等，本文以当前比较流行的三角测量法为例进行介绍。应用三角原理进行测量的硬件系统主要由图像采集卡、连接线（电缆）、线激光

5、发生器电源、CCD 摄像头和微型计算机等组成。为了提高测量精度，减少测量时产生的盲区，应将两个参数相同的CCD 摄像机对称放置。三角测量法通过基准平面、物距、像距及像点等之间的对应关系，计算目标的Z 坐标值，如图1 所示。 激光器 图1 激光三角测量原理图2 反求工程技术反求工程技术(Reverse Engineering, RE) 又称逆向工程技术, 是以产品及设备的实物、软件( 图样、程序及技术文件) 或影像(图片、照片)等作为研究对象, 反求出初始的设计意图。简单说, 反求就是对存在的实物模型或零件进行测量并根据测量数据重构出实物的CAD 模型, 进而对实物进行分析、修改、检验和制造的过

6、程1。这里所指的反求是实物反求。反求工程是快速成型制造的重要数据来源之一, 将反求工程与快速成型技术相结合, 能够在已有样件或原型的基础上进行复仿制, 进行迅速评价、修改和产品的创新再设计, 并自动快速地将设计转化为具有相应结构和功能的原型产品或直接制造出零部件, 缩短新产品的设计和研制周期, 降低新产品的研制成本和风险, 从而快速响应市场需求, 提高企业竞争力2。作为一种处理难以用CAD 设计的零件模型以及表面形状极不规则的产品模型的最有利的土具, 可以实现零件的快速三维复制、CAD 建模和快速制造。它与快速成型的结合形成了一个设计、制造、检测的快速设计制造闭合系统。本文主要讨论反求工程和快

7、速成型的一些技术, 并举出实例。3 反求工程数据处理的主要内容3.1 数据处理构造CAD 几何模型前, 反求工程大致分三个阶段: 首先对已有三维实体模型进行数据采集(又称零件数字化) , 生成数据“点云”; 然后对数据“点云”进行滤波去噪处理, 去除点云数据中的“坏点”; 最后通过曲面构造技术对数据点云进行曲面拟合, 生成三维曲面模型。3.2 反求工程与快速成型的数据交换数据交换主要包括以下方面: 用反求技术直接生成STL 文件, 供RP 系统的数据处理软件直接使用, 产生代码; 利用反求技术生成层片文件-CLI(Common Layer Interface)文件, 这种输出比较适用于对各种C

8、T 图像的反求, 并且由于RP 本身就是分层制造法, 用断层图像或矢量化的层片轮廓信息直接驱动RP 设备逐层叠加而成三维实体; 利用反求技术来重构出实体模型, 借助于CAD 系统来转化成STL 文件。对于快速成型技术来说, 反求工程目的之一在于获得产品的几何造型与结构数据, 通过各种三维数字化仪得到零件造型和结构数据后, 可以借助三维重构技术在CAD 软件中重新编辑( 修改和缩放) , 再转换成G-Code 或STL 文件, 供快速原型制造设备使用, 从而可直接加工制作出相应的模具、模型或零件。4 反求工程与快速成型一体化4.1 三维数据采集目前先进的快速成型技术进行的前提就是有成型对象的三维

9、模型数据。所以物体三维表面测量及重建技术是以上技术实现的第一个步骤, 有着重要的理论意义和实际意义。测量物体表面的数据点并再现物体形状, 将其应用于制造等领域一直是人们所追求的。三维数据的获取方法分为两大类, 接触式与非接触式测量方法: 接触式测量方法通过传感测量头与样件的接触而记录样件表面的坐标位置, 可以细分为点触发式和连续式数据采集方法;非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理, 将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。根据测量原理的不同, 大致有光学测量、超声波测量、电磁测量等方式, 这种方法的一个应用是三维扫描技术, 它是一种立体测量技术。与传统的

10、技术相比,能够完成复杂形体的点、面、形的三维测量, 能进行高精度的快速无接触测量。4.2 三维模型重构和关键技术4.2.1 三维模型重构在重建过程中存在许多干扰和不确定性因素, 如表格误差、测量精度和方式、数据处理方式、表面重构方式等。反求工程是基于已有实物模型或零件的测量数据的情况下, 进行物体CAD 模型重建的过程。通常, 需要进行人工干预来调整重构模型的表面参数。因此, 整个反求工程过程是一个推理和判断的过程。从曲面的三维采样点集恢复出曲面的几何模型称之为曲面重建。目前, 在反求工程中, 主要有3 种曲面构造方案: 以B-Spine 或NURBS 曲面为基础的曲面构造方案; 以三角Bez

11、ier 曲面为基础的曲面构造方案; 以多面体方式来描述曲面物体。曲面重构的关键技术, 包括数据采集、数据筛选、曲线拟合、曲面拟合等。在曲面重构过程中, 既要保证曲面质量, 又要保证设计精度。4.2.2 关键技术曲面分层是曲面成形的关键技术之一。曲面分层是以一系列的曲面与CAD 模型求交。分层曲面如何确定是分层技术中的关键之一。曲面成形是为了解决小倾斜度表面的台阶误差问题, 所以分层曲面需根据零件表面来确定。第二是要根据关键曲面, 构造更多的中间分层面, 以保证层与层之间不会出现超出系统成型能力的厚度。成形控制技术是曲面成形的另一个关键技术。目前在曲面成形方面有以下几个问题需要解决: 构造分层曲

12、面, 包括确定曲面和构造过渡曲面; 分层算法。现有分层算法用平面和CAD 模型求交, 而曲面和CAD 模型的求交算法则很复杂; 喷头运动轨迹控制。由于制造层片增加时增加了厚度层, 需使用三轴联动的运动控制系统, 同时喷头的运动还要避免已成原形, 防止破坏; 材料输送匹配。需要根据喷头速度和成形高度实时控制材料的挤出量, 消除过堆和欠堆。4.3 一体化应具备的特点一个与快速成型技术完全匹配的反求系统应具备关键的七个特点: 测量速度快, 精度高(±10m); 能测量内外轮廓, 最好不破坏样件; 能把测量数据转换成CAD 模型; 具有把CAD 模型文件转换成STL 文件的功能并能直接切片;

13、 能自动化测量, 且成本低; 不受或尽量不受外界条件和环境的限制; 能测量各种材质、形状且具有不同物理性能的物体。5 国内外反求工程技术的研究应用现状RE 和RP 技术的应用领域广泛，应用价值巨大，世界主要工业发达国家的相关部门纷纷投入巨资研发和应用RE 和RP 技术。他们都是从面向未来世界制造业全球竞争的战略高度来对待这一技术。20 世纪90 年代中后期，国内的一些大型企业，如科龙、新飞、海尔等先后从国外购买了快速成型设备。目前，RE 和RP 技术在航空航天、造船、机械、工业设计、建筑、儿童玩具、家电、林业测绘、3C 产业、轻工、医药、工艺品制作、汽车等许多领域均有广泛的应用，且应用范围也随

14、着技术的不断发展和完善在不断拓展。目前进入我国市场的RE 测量设备主要有英国3D-Scanner 公司的激光扫描仪、美国FARO 公司的Focus 3D 大空间三维激光扫描仪、德国GOM 公司的ATOS（光栅照相式） 高精度非接触三维逆向扫描设备等。这些测量设备功能强大，但价格非常昂贵。我国自加入WTO 以来经济稳定发展，市场经济体制逐步得到完善，同时企业也面临着前所未有激烈的国内外市场竞争。各行业中产品的生命周期不断缩短，更新速度越来越快，在家电、轻工、汽车、机械等领域尤为明显，因此，缩短设计、开发和生产制造系统的周期就成为必然要求。在国际市场上，中国制造业的竞争能力仍然较差，主要原因之一是

15、对市场的快速反应能力不强，交货时间较长。目前，我国政府、企业和高校对反求技术应用及研究的重视程度在不断提高。近年来，国内的一些高等院校，如华中科技大学、天津大学、西安交大、清华大学等都在积极开展RE 测量设备的研制开发，并占据了相当的市场份额。国内该类产品的价格相对较低，并且在功能上不断改进完善，在这一领域具有巨大发展潜力和竞争力。6 反求工程应用实例利用反求工程对实物汽车引擎盖进行三维重构, 具体步骤是:(1) 点云的采集利用三坐标ATOS 测量机生成的引擎盖自由曲面的扫描数据点云, 如图2(a) 2) 创建曲线这里应用软件Imageware 对喷头做点云数据进行处理, 对读入的点云进行曲线

16、编辑和修改, 使曲线均匀并且兼容, 如图2( b) 。( 3) 生成曲面对曲面进行编辑、验证和修饰, 如图2( c) 。( 4) 对生成的曲面进行误差分析其实质是对生成的曲面与点云数据进行对比分析, 比较曲面与点云数据的误差, 如图2(d)。(5)汽车引擎盖胶模制作采用西安交通大学先进制造技术研究所研制开发的激光快速成型机(LaserPrototypingSystem)SPS-600 制作光敏树脂原型,采用光固化树脂在成型机里进行浇注, 此过程主要以快速成型制作的原型作为母模进行硅橡胶模的制作。其工艺流程为:将母模放入型框,在真空浇注机中注入混合好的液态硅橡胶, 再放到烘箱中固化, 便得到硅橡

17、胶模。按照零件的复杂程度设计分模面,将硅橡胶模切割成上下两块, 取出母模便制作完毕。当需要复制原型时, 尤其对于批量不大的塑件生产, 可以采用RP原型快速翻制的硅橡胶模具通过树脂材料真空注型来实现。这里将快速成型技术与铸造工艺的结合使得快速成型技术与铸造技术两者的优点均得到充分的发挥。7 RE 技术研究的发展趋势（1）数据测量方面:研发专用的反求测量设备，能进行自动测量和路径规划，实现高速、高精度的产品几何形状的3D 数字化。（2）数据的预处理方面:研发一种能针对各种类型测量数据通用的处理软件，以优化现有的数据处理算法。（3）集成技术方面:发展集模型重建技术、测量技术、基于网络的协同设计和数字

18、化制造技术等于一身的反求技术。（4）基于光学三角原理的激光线扫描法：采用接触式测量是反求技术中传统的测量方法，尽管这种方法具有较高的测量精度，但还存在一些固有的缺陷，如有的工作表面由于受测头的限制而无法测量，测量速度不高，被测零件的表面容易被划伤等。计算机技术和光电技术的不断发展，为采用激光非接触测量法提供了便利。这种测量方法可有效解决测头半径补偿问题，能实现高速的三维测量。激光测量方式主要包括点扫描、线扫描和光栅扫描等。目前，基于三角原理的激光线扫描法在快速成型制造中应用最广泛，也是将来的发展趋势。结束语基于RP 技术的快速模具制造由于技术集成度高,从CAD数据到物理实体转换过程快,制模成本

19、低,精度和模具寿命能满足某种特定的功能需要, 综合经济效益良好,特别适用于新产品开发试制、工艺验证和功能验证。反求工程是处理难以用CAD 设计的零件模型以及表面形状极不规则的产品模型的最有利的工具, 可以实现零件的快速三维复制、CAD 建模和快速制造。较之于规则曲面零件, 复杂曲面零件的设计、加工、精度检验等信息的获取要复杂得多, 通常采用反求工程技术来完成。今后, 在产品快速设计开发和复杂型面的快速成型方面将产生重大的意义。总之,反求技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持,它已经成为制造业信息传递重要而简洁的途径之一。随着新的快速成型技术的不断出现, 快速制模技术也在不断发展,并将成为快速制造的重要组成部分。参考文献1 王光春, 赵国群. 快速成型与快速磨具制造技术及其应用M. 北京: 机械工业出版社, 2003.2 刘伟军. 快速成型技术及应用M. 北京: 机械工业出版社,2005. 1