产造型设计材料与工艺 教学课件 09逆向工程与快速成型

机械工业出版社

第9章逆向工程与快速成形技术产品造型材料与工艺第九章逆向工程与快速成型技术

39.1逆向工程

一、逆向工程原理

工业设计正在朝知识化和网络化方向迈进，CAD技术已成为产品设计人员进行研究开发的重要工具，其中三维造型技术已被制造业广泛应用于产品造型及模具设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护等方面。设计人员必须通过各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物（产品原型或油泥模型）转化为计算机上的三维数字模型，这就应用到了逆向工程技术。所谓逆向工程技术（ReverseEngineering，RE，也称为反求工程、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模型的过程。

第九章逆向工程与快速成型技术4逆向工程技术综合了三维测量、计算机辅助设计、快速成形等高新技术。逆向工程是从产品原型出发，进而获取产品的三维数字模型，使得能够进一步利用CAD/CAE/CAM等先进技术对其进行处理。一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面。逆向工程是为了消化吸收引进技术而提出的一系列分析方法和应用技术的结合。是数字化与快速响应制造大趋势下的一项重要技术，是CAD领域中一个相对独立的范畴。逆向工程技术与传统的正向设计存在很大差别。传统的产品设计一般需要经过如图9-1所示的设计过程。第九章逆向工程与快速成型技术

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设计任务→设计造型→加工制造→产品实体图9-1传统的设计过程逆向工程则是从产品原型出发，进而获取产品的三维数字模型，使得能够进一步利用CAD/ACE/CAM等先进技术对其进行处理。它的工程系统流程如图9-2所示，与图9-1的不同之处在于设计的起点不同，相应的设计自由度和设计要求也不相同。逆向工程根据实物测量数据重构其CAD模型，运用现代设计理论、方法和技术对模型进行再设计，并与现代快速制造技术有机结合最终制造出产品。它是交叉学科融合的成果，涉及计算机视觉学、计算机图形学、现代测量方法等学科。图9-3为逆向工程过程示意图。

第九章逆向工程与快速成型技术

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图9-2逆向工程系统流程图

图9-3逆向工程过程示意图第九章逆向工程与快速成型技术

7二、逆向工程方法作为一种新的工业设计概念，逆向工程设计综合了三维测量、计算机辅助设计、快速成形等高新技术，对样品、模型进行高速精确的激光扫描，得到其三维轮廓数据，结合专门的逆向工程软件进行三维设计重构，生成实体，通过快速成形及硅胶复模、小批量生产，快速投放、验证市场，为抢占商机赢得市场节省了大量宝贵的时间，并且有效地避免了风险、缩短了工业设计的周期。采用逆向工程不是简单的仿型，它可以在原件的基础上，利用原件的技术架构重新进行正向设计，为快速创新提供了条件。逆向工程具有与传统设计制造过程截然不同的设计流程。传统正向设计从概念设计到最终形成CAD模型是一个从无到有的过程，而逆向工程对现有零件原形数字化再形成CAD模型，是一个推理、逼近的创新过程。

第九章逆向工程与快速成型技术81.快速准确测量出实物零件或模型的三维轮廓坐标数据（数据采集）在逆向工程技术设计时，需要从设计对象中提取三维数据信息，即利用测量装置采集实物/模型表面数据。坐标测量技术和众多学科都有着紧密的联系，如光学、机械、电子、计算机视觉、计算机图形学、图像处理、模式识别等，其应用领域极为广阔，它也是实现逆向工程的基础。常用三维数据测量方式可分为接触式三坐标测量和非接触式激光扫描测量以及逐层扫描测量等方式。接触式测量方法通常采用三坐标测量机或机器人手臂进行测量，需接触被测物体的表面；而非接触式测量方法则采用声、光、电或磁等现象进行测量，测量时物体表面无机械接触。测量装置多采用坐标测量机，也有一些应用是在数控铣床或机器人末端安装测量部件完成数据采集工作。第九章逆向工程与快速成型技术9根据测量部件与被测量物体的位置关系，可以分为接触式和非接触式两大类。接触式三坐标测量机如图9-4所示，非接触式激光扫描抄数机如图9-5所示，接触式关节臂三坐标测量机如图9-6所示。

第九章逆向工程与快速成型技术图9-5非接触式激光扫描抄数机

图9-4接触式三坐标测量机

图9-6接触式关节臂三坐标测量机

10接触式测量的优点是：（1）准确性及可靠性高；（2）对被测物体的材质和反射特性无特殊要求，不受工件表面颜色及曲率的影响。接触式测量的缺点是：（1）测量速度慢；（2）接触头易磨损，故需经常校正探头直径；（3）不能对软质材料和超薄形物件进行测量，而且对细微部分的扫描受到限制等。

第九章逆向工程与快速成型技术11激光扫描材料最大特点是速度快，测得的点和数据量大，可以充分表示零件的表面信息。此外，采用激光扫描测量方法扫描探头不接触零件表面，因而可对高精密的软质、薄形工件进行测量；采用激光扫描测量方法很适合测量大尺寸、具有复杂外部形状的零件。

目前，国内外使用较多的有英国、意大利、德国、日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。就测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种，接触式测头与被测头物体直接接触，获取数据信息。非接触式测头则是应用光学及激光的原理进行的。近几年来，扫描设备有了很大发

展。例如，可实现激光测头和接触式扫描头的互换，接触式扫描测头精度可达0.0005mm，激光测头的扫描精度达0.05mm，可对易碎、易变形的形体及精细花纹进行扫描，为实现从实物→建立数学模型→CAD/CAE/CAM一体化提供了良好的硬件条件。第九章逆向工程与快速成型技术12不同的测量对象和测量目的，决定了测量过程和测量方法的不同。在实际三坐标测量时，应该根据测量对象的特点以及设计工作的要求确定合适的扫描方法并选择相应的扫描设备。例如，材质为硬质且形状较为简单、容易定位的物体，可使用接触式测量方法，对橡胶、油泥、人体头像或超薄形物体进行扫描时，则需要采用非接触式测量方法。2.根据三维轮廓数据重构曲面并建立CAD模型（重构曲面模型）曲线、曲面拟合是逆向工程的另一个核心技术，即用处理的数据重构曲面模型，从而实现对零件的分析和加工。曲面重建是根据测量得到的反映几何形体特征的一系列离散数据。在计算机上获得形体曲线曲面方程或直接建立CAD模型的过程。建立的CAD模型，还可以进行体积和面积等物理特性的计算分析、修改等。目前，处理大量点云的步骤是先处理数据点、从数据点提取曲线、由曲线构建线框模型、曲面重构。第九章逆向工程与快速成型技术13图9-7所示为实物-数据采集-数据处理-三维造型这一过程。

目前常用的通用逆向工程软件有Surfacer、Cimatron、Geomagic等，此外，一些大型参数化CAD软件也为逆向工程提供了设计模块。例如Pro/E、UG等软件的一些模块也可以接受点云数据进行三维实体模型重构，如图9-8、9-9所示。第九章逆向工程与快速成型技术图9-7实物-数据采集-数据处理-三维造型过程

14第九章逆向工程与快速成型技术图9-9用UG软件设计的三维造型图

图9-8基于三维激光扫描技术的三维造型

15三、逆向工程技术的应用

逆向工程最早应用于汽车，飞机等制造业，其行业产品的表面多为自由曲面，难以用精确的数学模型描述。设计时首先按照一定的比例制作实物模型，然后进行设计分析和设计评价并进行修改直至满足各方面的要求，最后测量模型，依次进行产品的试制。早期受条件的限制，采用传统手工测量方法对模型进行测量，存在效率低、拟合精度差、对测绘人员要求高的缺点，在一定程度上制约了逆向工程的应用和发展。从20世纪60年代开始，随着计算机技术、CAD/CAM技术及高精度坐标测量机（CoordinateMeasuringMachine，CMM）的不断发展，数据采集可以借助坐标测量机自动或半自动完成，提高了测量效率和精度，使逆向工程技术在实践中获得了十分广泛的应用。逆向工程应用主要有以下几方面：第九章逆向工程与快速成型技术16（1）产品仿制。在实际开发制造过程中，设计人员接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型，但很多时候，却是从厂家得到产品的样品或实物模型，传统机械的仿制技术，一般是采用靠模铣，在仿制工程中只能等比例复制。采用数控仿型铣后，虽然可以进行不同比例的缩放，但是无法进行设计的改变，更无法建立工件尺寸图档，因而无法用现有的CAD软件对其进行修改，所以设计人员需要通过一定的途径，将这些实物信息转化为CAD模型，这就应用到了逆向工程技术。

（2）新产品设计。逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已成为工业设计信息传递的重要而简洁途径之一。随着工业技术的发展以及经济环境的成长，消费者对产品的要求越来越高。一些具有美工背景的设计师们可利用CAD技术构想出创新的美观外形，再以不同方式制造出样件，最后再以三维尺寸测量的方式测量样件建立曲面模型。第九章逆向工程与快速成型技术17（3）旧产品改进。在工业设计中，很多新产品的设计都是从旧产品的改进开始。为了用通常的CAD软件对原设计进行改进，首先要有原产品的CAD模型，然后在原产品的基础上进行改进设计。（4）损坏或磨损产品的还原。修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等，此时不需要对整个零件原型进行复制，而是借助逆向工程技术抽取零件原形的设计思想，指导新的设计。这是由实物逆向推理出设计思想的一种渐近过程。（5）数字化模型的检测。例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较等。（6）其它应用。随着产品的单件、小批量和用户对产品各不同的要求，也需要根据模型制作产品，例如具有个人特征的太空服、头盔、假肢等。第九章逆向工程与快速成型技术18此外，在计算机图形和动画、工艺美术和医疗康复工程等领域，也经常需要根据实物快速建立三维几何模型，即需要用到逆向工程技术。图9-10为逆向工程应用示意图。

第九章逆向工程与快速成型技术图9-10逆向工程应用示意图

19四、逆向工程应用实例以塑料机油壶制造为例说明逆向工程的应用。1.油壶三维数据获取图9-11为装机油用的塑料油壶样件实体照片，油壶容量3.5升，材料为聚氯乙烯，吹塑成形，其形状较复杂，多为不规则曲面。由于油壶外形为多曲面构成，采用常规方法无法测量，所以零件原型的最初数字化通常采用激光扫描机。图9-12为油壶三维激光扫描采集的数据点云图。第九章逆向工程与快速成型技术

图9-11油壶样件实体照片

图9-12油壶三维激光扫描采集的数据点云图

202.数据处理及三维模型的重构由三维激光扫描机获得的数据可送入Surfacer、Geomagic等软件进行三角网络计算、修补等，形成由油壶模型扫描数据构成的外形面模型，若由两次测量数据所构的实体模型，在两个面拼合时，只需分别在两个面上选取若干个位置相近的点，则面与面就会自动拼合成一整体。由逆向工程设计软件提取线框模型，转换成IGES格式文件再到三维CAD软件（如Pro/E等）中进行再设计。图9-13即为在Surfacer软件中处理，提取出线框特征保存为IGES文件后，用Pro/E打开的线框实体模型。在pro/E中打开经Surfacer处理的IGE文件，在修改和再设计的基础上进行曲面重构，生成曲面模型，再由曲面模型生成实体模型，图9-14为在Pro/E中生成的油壶实体模型。生成的实体模型可供用户参考，也可生成STL数据经曲面断层处理后，采用快速成形技术制作出一个实物供用户认可。

第九章逆向工程与快速成型技术213.吹塑模具加工及油壶挤出-吹塑成形随着CAD/CAM软件和数控加工技术的发展，使塑料模具制造发生了很大变化，时间越来越短、质量越来越高、形状越来越复杂。在Pro/E中完成实体模型设计后，可根据需要加放所需的收缩余量和拔模斜度等，还可使用塑料模具设计模块软件完成模具设计。最后生成IGES文件数据，再传输给CAM软件（如：MASTERCAM、UG等），做刀具路径设定，产生数控代码，最后传送到加工中心将模具型腔加工出来。图9-15为采用逆向工程技术和通过挤出-吹塑成形工艺制造的塑料油壶。

第九章逆向工程与快速成型技术图9-13在Pro/E中设计的油壶线框实体模型

图9-14在Pro/E中生成的油壶实体模型

图9-15采用逆向工程技术和挤出-吹塑工艺制造的塑料油壶

229.2快速成形技术9.2.1快速成形技术概述

快速成形技术（RapidPrototyping，RP又称快速原型制造技术）是20世纪八十年代后期发展起来的，被认为是近20年来制造领域的一次重大突破。它综合了机械工程、CAD/CAM、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，原型的制造甚至可以在办公室进行，从而可以对产品设计进行快速评估、修改和功能试验，大大缩短了产品的研制周期。基本原理是：根据计算机辅助设计所产生的零件三维数据进行处理，按高度方向离散化（即分层），用每一层的层面信息来控制成形机对层面进行加工，当一层制作完后，再制造新的一层，这样层层堆积、重复进行，形状不断增加，直至整个零件加工完毕。

第九章逆向工程与快速成形技术

23快速成形工艺过程如图9-16所示。与传统材料加工技术相比,快速成形具有以下鲜明的特点：（1）数字化制造。（2）高度柔性和适应性。（3）直接CAD模型驱动。（4）快速，生产的周期短。（5）材料类型丰富多样。第九章逆向工程与快速成形技术*模型制作定向*分层处理*加支撑图9-16快速成形技术工艺过程示意图CAD造型系统STL模型CAD模型加工文件快速成形系统数据准备处理成型过程成型制作*实体造型方法*STL输出接口*其它数据接口成型零件249.2.1快速成形技术概述

目前国内外的快速成形方法主要有:（1）SLA（Stereolithography,光固化成形法,又称树脂型);（2）LOM（LaminatedObjectManufacturing,叠层法,又称切纸型);（3）SLS（SelectiveLaserSintering,激光烧结法,又称烧粉型);（4）FDM(FusedDepositionModeling,熔融挤压形法,又称喷丝型);（5）3DP（3-DPrinting,三维打印法,又称粘粉型)。

以下对这些典型方法的原理、特点和应用等分别进行阐述。

1.光固化成形法光固化成形法是最早出现的快速成形工艺。其原理是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长(x=325nm)和强度(w=30mw)紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。图9-17为光固化工艺原理图。第九章逆向工程与快速成形技术25

SLA是目前RP技术领域中研究最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。该工艺成形的零件精度较高。多年的研究改进了截面扫描方式和树脂成形性能，使该工艺的精度能达到或小于0.1mm、表面质量好、原材料利用率将近100％，能制造形状特别复杂(如空心零件)、特别精细(如首饰、工艺品等)的零件。光敏树脂液相固化成形的应用有很多方面，可直接制作各种树脂功能件，用作结构验证和功能测试；可制作比较精细和复杂的零件；可制造出有透明效果的制件；制作出来的原型件还可快速翻制各种模具，如硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环氧树脂模和气化模等。光固化工艺的设备做出的零件其优点是精度较高、表面效果好，零件制作完成后可打磨，将堆积的痕迹去除。光固化设备的零件制作完成后，还需要在紫外光的固化箱中二次固化，用以保证零件的强度。

第九章逆向工程与快速成形技术26图9-18为光固化成形设备，图9-19为光固化成形制造的样件。

9-17光固化工艺原理图

图9-18光固化成形设备图9-19光固化成形制造的样件2.叠层法叠层法工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作为成形材料，片材表面事先涂覆上一层热溶胶。成形时，用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格；

第九章逆向工程与快速成形技术27

激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材（料带）分离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移动到加工区域；工作台上升到加工平面；热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面切割、粘接完，得到三维实体零件，如图9-20所示。图9-21为叠层法成形设备，图9-22为叠层法成形制造的电话机样件。

图9-20叠层法成形工艺原理图

第九章逆向工程与快速成形技术28图9-21叠层法成形设备图9-22叠层法成形制造的电话机样件

3.激光烧结法

激光烧结法工艺是利用粉末材料(金属粉末或非金属粉末)在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。如图9-23所示，采用C02激光器作能源，在工作台上均匀铺上一层很薄(0.1~0.2mm)的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。第九章逆向工程与快速成形技术29

图9-23激光烧结成形工艺原理图

SLS工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件。特别是可以直接制造金属零件，这使SLS工艺颇具吸引力。另一特点是SLS工艺无需加支撑，因为没有被烧结的粉末起到了支撑的作用。因此可以烧结制造空心、多层缕空的复杂零件。SLS激光粉末烧结的应用范围与SLA工艺类似，可直接制作各种高分子粉末材料的功能件，用作结构验证和功能测试，并可用于装配样机。图9-24为激光烧结成形设备，图9-25为激光烧结法制造的金属样件。

第九章逆向工程与快速成形技术30图9-24激光烧结成形设备图9-25激光烧结法制造的金属样件

4.熔融挤压成形熔融挤压成形工艺是利用热塑性塑料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成形。熔融挤压成形工艺原理是材料先抽成丝状，通过送丝机构送进喷头，在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结，层层堆积成形。图9-26为熔融挤压工艺原理图。该工艺不用激光，因此使用、维护简单，成本较低，应用广泛。第九章逆向工程与快速成形技术31

图9-26熔融挤压工艺原理图

熔融挤压成形设