数字化设计与制造第八章

1、第8章逆向工程与快速原型制造技术8.1逆向工程技术概述8.2逆向工程的研究内容及基本步骤8.3实物逆向工程及其关键技术8.4逆向工程技术应用实例8.5逆向工程软件介绍8.6快速原型制造技术是一种技术过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能性能规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。逆向工程源于商业及军事领域中的硬件分析。8.1逆向工程技术概述8.2逆向工程的研究内容及基本步骤1.逆向产品的分析2.逆向产品的再设计3.逆向产品的制造图8-1逆向工程的基本步骤8.2逆向工程的研究内容及基本步骤1.逆向产品的分析(1)逆向对象的功能、原

2、理分析。(2)逆向对象材料的分析。(3)逆向对象的制造和装配工艺分析。(4)逆向对象的精度分析。(5)逆向对象造型的分析。(6)逆向对象系列化、模块化分析。(7)逆向对象的包装技术分析。(8)逆向对象的使用和维护技术分析。2.逆向产品的再设计1)根据分析结果和实物模型的几何拓扑关系，制定零件的测量规划，确定实物模型测量的工具设备、测量顺序和测量精度等。2)对测量数据进行修正，在测量过程中不可避免含有测量误差，修正内容包括剔除测量数据中的坏点、修正测量值中明显不合理的测量结果、按照拓扑关系的定义修正几何元素的空间位置与关系等。3)按照修正后的测量数据以及逆向对象几何元素的拓扑关系，利用数字化设计

3、软件，重构逆向对象的几何模型。2.逆向产品的再设计4)在分析逆向对象功能的基础上，对产品模型进行再设计，根据实际需要在结构和功能等方面进行必要的创新和改进。随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化丈量技术的迅猛发展，基于丈量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字化丈量设备(如坐标丈量机、激光丈量设备等)获取的物体表面的空间数据，需要利用逆向工程CAD技术获得产品的CAD数学模型，进而利用CAM系统完成产品的制造。3.逆向产品的制造8.3实物逆向工程及其关键技术8.3.1逆向对象的坐标数据采集8.3.2实物逆向的数据处理及模型重构8.3.1逆向对象的坐标数据采集1.测

4、量规划2.实物模型数据化的方法1.测量规划(1)基准面的选择及定位。(2)测量路径的确定。(3)测量参数的选择。(4)特殊及关键数据的测量。2.实物模型数据化的方法(1)坐标数据测量设备的分类。(2)三坐标测量机的工作原理。(3)非接触式测量设备的工作原理。图8-2坐标数据测量设备的分类(1)坐标数据测量设备的分类图8-3三坐标测量机的工作原理(2)三坐标测量机的工作原理(2)三坐标测量机的工作原理。1)等距偏移法。2)编程补偿法。图8-4某精密零件的坐标数据采集1)等距偏移法图8-5测头半径补偿模型2)编程补偿法图8-6激光等距测量原理图(3)非接触式测量设备的工作原理8.3.2实物逆向的数

5、据处理及模型重构1.测量数据的预处理2.影响模型重建数据完整性的因素及其处理方法3.产品造型及模型重构1.测量数据的预处理(1)测量数据的初步处理。(2)测量数据的分块。(3)分块数据的规则化。(4)数据的均匀化。2.影响模型重建数据完整性的因素及其处理方法(1)影像模型重建数据完整性的因素分析。(2)处理方法。(1)影像模型重建数据完整性的因素分析。1)测量死区。2)数据重叠或数据间隙。3)产品样件的局部变形或破损。4)数据传输造成的数据失真或数据丢失。5)造型残缺。图8-7测量数据的重叠及数据间隙a)测量数据重叠b)测量数据空洞(1)影像模型重建数据完整性的因素分析。(2)处理方法。1)几

6、何功能分析。2)信息补充。图8-8点云数据3.产品造型及模型重构。图8-9特征点3.产品造型及模型重构。图8-10特征线3.产品造型及模型重构。图8-11三角形网格曲面3.产品造型及模型重构。图8-12曲面模型的渲染效果3.产品造型及模型重构。图8-13逆向工程中坐标数据处理和模型重构的基本流程3.产品造型及模型重构。8.4逆向工程技术应用实例1)以市场调研为基础，确定新款汽车的开发目标，在对款式、外形、配置、结构装配、性能和价格等进行综合评价的基础上，以工业造型和艺术设计技术完成产品的创意设计，形成构思图(rendering sketch)。2)以创意设计为依据，按1 1的比例或小比例制作专

7、业线图(tape drawing)，为油泥模型的制作进行准备。3)以专业线图为基础，制作出汽车的油泥模型，以便进一步对汽车的结构和性能进行评测，并根据评测结果修改完善油泥模型。图8-14某型汽车的创意设计8.4逆向工程技术应用实例图8-15制作1 1线图8.4逆向工程技术应用实例图8-16根据线图制作油泥模型8.4逆向工程技术应用实例4)采用逆向工程技术，利用坐标测量设备测出模型表面的点云数据，将油泥模型的坐标数据精确地输入到计算机中。5)采用逆向工程软件进行模型重建和数字化装配，并进行相关的工程结构设计，形成完整的汽车数字化模型。6)以数字化模型为基础，进行数控编程和数控加工，采用简易模具、

8、快速原型制造等方式制造样机(prototype)，以验证工程设计的正确性。8.4逆向工程技术应用实例图8-17油泥模型扫描后的点云数据8.4逆向工程技术应用实例图8-18点云数据重构后的零件数字化模型8.4逆向工程技术应用实例图8-19零件模型的数字化装配8.4逆向工程技术应用实例7)根据样机试验结果，对产品设计进行必要的改进，进入批量化生产阶段。8.4逆向工程技术应用实例图8-20批量化生产的汽车产品8.4逆向工程技术应用实例8.5逆向工程软件介绍1. Delcam公司的CopyCAD软件2. PTC公司的Pro/Engineer软件3. Simens PLM Software公司的Imag

9、eware/Surfacer软件4.浙江大学的RE-Soft软件5. Raindrop公司的Geomagic Studio软件6. INUS公司的RapidForm软件CopyCAD 是由英国 DELCAM 公司出品的功能强大的逆向工程系统软件，它能允许从已存在的零件或实体模型中产生三维CAD模型。该软件为来自数字化数据的 CAD 曲面的产生提供了复杂的工具。CopyCAD 能够接受来自坐标测量机床的数据，同时跟踪机床和激光扫描器。 1. Delcam公司的CopyCAD软件Pro/ENGINEER2001基于PTCGraniteOne，GraniteOne包括一系列新技术，这些技术用来建立和

10、表示基于特征的模型，在不同CAD工具之间相关联地转换原始文件、提供方便的存取数据方式。GraniteOne取代了第一代简单的几何核心组件，为互操作能力定义了一个新内核。2. PTC公司的Pro/Engineer软件3. Simens PLM Software公司的Imageware/Surfacer软件(1)点过程。(2)曲线创建过程。(3)曲面创建过程。浙江大学的RE-Soft软件系统采用三角Bezier曲面模型，它首先建立数字化点的三角形网络，接着在三角形网络的网孔内蒙上三角形Bezier。4.浙江大学的RE-Soft软件由美国Raindrop (雨滴)公司出品的逆向工程和三维检测软件 G

11、eomagic Studio可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为 NURBS 曲面。Geomagic Studio 可根据任何实物零部件自动生成准确的数字模型。5. Raindrop公司的Geomagic Studio软件RapidForm 是韩国 INUS 公司出品的逆向工程软件，RapidForm 提供了新一代运算模式，可实时将点云数据运算出无接缝的多边形曲面，使它成为 3D Scan 后处理之最佳化的接口。6. INUS公司的RapidForm软件8.6快速原型制造技术8.6.1快速原型制造技术概述8.6.2典型的快速原型制造工艺及设备8.6.3快速原

12、型制造技术的发展趋势8.6.4基于逆向工程的快速原型制造8.6.1快速原型制造技术概述1.原型制造及快速原型制造技术2.快速原型制造技术的特点3.快速原型制造技术与相关学科之间的关系4.快速原型制造技术的发展历程图8-21快速原型制造的基本步骤1.原型制造及快速原型制造技术2.快速原型制造技术的特点(1)以数字化设计及制造技术为基础。(2)可以实现产品的快速制造。(3)高新技术集成的产物。(4)可以实现自由成形。(5)材料来源丰富。(6)应用领域广阔。(7)具有潜在的经济效益。3.快速原型制造技术与相关学科之间的关系(1)与数字化设计技术之间的关系。(2)与能源技术之间的关系。(3)与数控技术

13、之间的关系。(4)与材料科学之间的关系。(5)与其他相关学科之间的关系。快速原型制造技术是随着CAD/CAM技术、计算机数控技术、激光技术、材料科学与二程技术的发展而出现并发展的，如今它已同信息技术、虚拟技术一起成为实施产品设计技术和工艺过程技术集成创新的“前所未有的理想工具”。已在家电、汽车、玩具、轻功、通讯设备、航空、军事、建筑、医疗、考古、电影制作、工业造型等行业得到应用。4.快速原型制造技术的发展历程图8-22快速原型制造技术的应用类型4.快速原型制造技术的发展历程8.6.2典型的快速原型制造工艺及设备1.立体光固化(SL)2.熔融沉积成形(FDM)3.选择性激光烧结(SLS)4.叠层

14、实体制造(LOM)5.三维印刷(3DP)光固化快速成型制造技术不同于传统的材料去除制造方法，它的成型原理是：SLA将所设计零件的三维计算图像数据转换成一系列很薄的模型截面数据，然后在快速成型机上，用可控制的紫外线激光束，按计算机切片软件所得到的每层薄片的二维图形轮廓轨迹，对液态光敏树脂进行扫描固化，形成连续的固化点，从而构成模型的一个薄截面轮廓。1.立体光固化(SL)图8-23立体光固化成形的工作原理1.立体光固化(SL)图8-24快速原型制造中的数据处理1.立体光固化(SL)1.立体光固化(SL)(1)成形精度高。(2)成形速度快。(3)扫描质量好。图8-25STL文件格式1.立体光固化(S

15、L)图8-26用STL格式表示的三维实体1.立体光固化(SL)表8-1几种立体光固化成形设备的技术参数厂商及设备型号3D Systems公司SLA 7000Sony/D MECSCS 8000北京殷华公司Auro350成形空间/m分层厚度/mm激光器功率/mW最大扫描速度/m508508600002501278009526005005000050480010350350350010330051.立体光固化(SL)FDM采用热熔喷头，使半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径挤压并沉积在指定的位置凝固成形，逐层沉积、凝固后形成整个原型或零件。2.熔融沉积成形(FDM)图8-27熔融沉积成形的工

16、作原理2.熔融沉积成形(FDM)2.熔融沉积成形(FDM)(1)成形材料广泛。(2)成形设备简单、成本低。(3)环境污染较小。表8-2几种熔融沉积成形设备的技术参数厂商及设备型号Stratasys北京殷华公司DimensionVantage iMEM 200MEM 350成形空间/mmmmmm分层厚度/mm成形材料精度/mm2032033050254，033ABS3552542540127，0254ABSPC0127/12720020030001503ABS025/10035035040001503ABS+PC02/1002.熔融沉积成形(FDM)图8-28选择性激光烧结的工作原理3.选择性激

17、光烧结(SLS)表8-3几种选择性激光烧结成形设备的技术参数厂商及设备型号EOS GmbHEOSINT P7003D SystemsVanguard北京隆源公司AFS 450成形空间/mmmmmm分层厚度/mm激光功率/W扫描速度/m成形材料700380580015（视材料确定）505PA2200，PA3200GF，Pdme 3200 GF437320445视材料确定25或100Max 75或10DuraForm PA，DuraForm GF，LaserFormST 2004504505000080350精铸模料，工程塑料，树脂砂3.选择性激光烧结(SLS)RP技术首先要对STL立体模型数据进

18、行分层切片处理，获取二维层片数据信息，然后结合用户加工工艺参数，经过进一步分析处理、修复整合，得到加工控制信息代码，最后将这些有效的加工代码输出，控制加工成型。4.叠层实体制造(LOM)图8-29叠层实体制造的工作原理4.叠层实体制造(LOM)4.叠层实体制造(LOM)(1)材料性能较差。(2)设备及运行成本较高。(3)成形精度较低。(4)系统比较复杂，工作稳定性差。图8-30三维印刷的工作原理5.三维印刷(3DP)表8-4几种三维印刷成形设备的技术参数厂商及设备型号Z CorporationObjetZprinter，310Z810Eden 330成形空间/mmmmmm203254203500600400340330200分层厚度/mm007602540076025416m材料石膏基粉末，淀粉基粉末