第8章快速原型技术

第8章逆向工程与快速成形技术

1）现代机械产品的设计一般有两条基本途径：一种途径是基于机械CAD软件平台的概念设计；另一种途径是基于已有样品或手工模型的反求工程技术（或称逆向工程技术）。2）概念设计是从“无”到“有”的过程，而逆向工程技术是从已“有”的产品样品或手工模型经过专用的测绘设备，通过数据采集和处理得到样品或手工模型的几何信息及其他信息的过程。

概念2D图纸3D

CAD软件样件扫描机数据处理软件产品3D模型设计验证样品模具设计（CAD）产品（CAM）快速原型技术设计与加工中间环节8.1反求工程技术（ReverseEngineering，RE）反求工程技术（ReverseEngineering，RE）又称逆向工程技术，是20世纪80年代末期发展起来的一项先进制造技术，是以产品及设备的实物、软件(图纸、程序及技术文件等)或影像(图片、照片等)等作为研究对象，反求出初始的设计意图，包括形状、材料、工艺、强度等诸多方面。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、检验和制造的过程。反求工程主要用于已有零件的复制、损坏或磨损零件的还原、模型精度的提高及数字化模型检测等。实物样件数据采集坐标测量机激光扫描仪数据处理：专用数据处理软件，如Surfacer等通用的CAD/CAM软件，如UG等三维CAD模型构建二维工程图纸CNC数控加工快速原型制作系统：光固化成型（SLA）叠层实体制造（LOM）选择性激光烧结（SLS）熔融沉积制造（FDM）8.1反求工程技术（ReverseEngineering，RE）

数据采集的主要方法：三坐标测量法、投影光栅法、激光三角形法、核磁共振和CT法等。基本原理是将周期性的光栅投影到被测曲面上，受到被测曲面轮廓高度的调制，光栅影线发生变形，解调变形光栅图象，建立变形光栅图象与被测曲面轮廓高度的函数关系，求出被测曲面形状的三维信息投影光栅法

数据采集的主要方法：激光三角形法基本原理是由半导体激光器发出的激光通过聚光透镜在被测曲面上结成光点并反射，光敏元件(如PSD)接收其散射光，根据其在PSD上的位置，即可测出故测点的空间坐标。

数据采集的主要方法：核磁共振原理:依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。CT:计算机X射线断层扫描技术简称.CT是用X线束对一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字，输入计算机处理。反求工程中的数据采集与处理技术

目前，反向设计的研究重点在于：1、数据采集设备和思路。数据采集设备与方法是数据获取的保证，研制快速、精确和能够测量具有复杂内外形状的新设备是发展方向。2、数据前处理。包括对测量所得数据点进行测头半径补偿、数据噪声点的有效滤除以及测量数据的合理分布，此外还包括建立统一的数据格式转化标准，减少数据丢失和失真等。3、数据优化。测量所得的数据文件通常非常庞大，往往被形象地称为数据云或者海量数据，需要对测量数据进行优化处理，主要问题有：如何合理的分布数据点，在尽量保有各种特征信息的基础上合理简化数据；如何使数据真实反映形面的保凸特性；如何减少人工交互，提高数据区域划分中的自动化与效果。4、曲面重构研究。在反算控制点时仍然存在反算标准及精度的问题；对于起伏剧烈的数据点群，使用单块曲面描述会有较大差异；如何解决有关曲面重构算法的有效性、效率以及误差问题；曲面在三角离散和层切时的不确定性问题等。反求工程技术实施的硬件条件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，其中，接触式测头又可分为硬测头和软测头两种，这种测头与被测物体直接接触，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。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，应尽量使用接触式扫描仪。这种扫描仪成本较低，设备损耗费相对较少。但在对橡胶、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，它的特点是速度快，工作距离远，无材质要求，但设备成本较高。反求工程技术实施的软件条件目前比较常用的通用逆向工程软件有Surfacer、Delcam、Cimatron以及Strim。一些大型CAD软件也逐渐为逆向工程提供了设计模块。例如Pro/E的ICEMSurf和Pro/SCANTOOLS模块，可以接受有序点(测量线)，也可以接受点云数据。

①企业只能拿到真实零件而没有图纸，又要求对此零件进行分析、复制及改型；②在汽车、家电等行业要分析油泥模型，对油泥模型进行修改，得到满意结果后将此模型的外型在计算机中建立数字模型；③对现有的零件工装等建立数字化图库；④在模具行业，往往需要用手工修模，修改后的模具形腔数据必须要及时地反映到相应的CAD设计之中，这样才能最终制造出符合要求的模具。反求工程中的数据采集与处理技术

逆向工程常用软件美国Imageware

公司产品Surfacer7.1、英国DelCAM公司产品

CopyCAD、英国MDTV公司的STRIMand

Surface

Reconstruction、英国Renishaw

公司的TRACE，在一些流行的CAD/CAM集成系统中也开始集成了类似模块，如Unigrahics

中的PointCloud功能、Pro/Engineering中的Pro/SCAN功能、Cimatron90中的Reverse

Engineering功能模块等。在我国，有关反求工程的研究与开发工作也在不少单位内展开，如浙江大学、华中理工大学、西安交通大学、西北工业大学等，并取得一定的成果，如浙江大学推出了Re-Soft软件系统。

8.2快速原型技术快速成型（也称快速原型）制造技术(RapidPrototyping&Manufacturing，RP&M或RP)是借助计算机、激光、精密传动和数控等现代手段，将计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）集成于一体根据计算机上构造的三维模型，能在很短时间内直接制造产品样品而无须传统的机械加工机床和模具的先进制造技术。快速成形(RP-RapidPrototyping)技术：快速成形技术是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，是集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。RP技术的基本过程由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型；将三维模型沿一定方向离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层）；根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码；成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体。

快速成形过程示意图这样将一个物理实体的复杂的三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，且成形过程的难度与待成形的物理实体形状和结构的复杂程度无关。（1）自由成型制造（一是指无需使用工模具而制作原型或零件；二是指不受形状复杂程度的限制，能够制作任意复杂形状与结构、不同材料复合的原型或零件。）（2）制造过程快速（3）添加式和数字化驱动成型方式（1.材料都是通过逐点、逐层以添加的方式累积成型的。2.是通过CAD数字模型直接或者间接地驱动快速原型设备系统进行原型制造的。）（4）技术高度集成（5）突出的经济效益（6）广泛的应用领域(制造业、材料科学与工程、医学、文化艺术以及建筑工程)

快速原型技术的特点

快速原型技术的优越性（1）设计者受益（设计者在设计的最初阶段，就能拿到实在的产品样品，在单个零件和装配部件的级别上，对产品设计进行校验和优化，并可在不同阶段快速地修改、重做样品，甚至做出试制用工模具及少量的产品。这将给设计者创造一个优良的设计环境，提供一个快捷、有力的物理模拟手段，无需多次反复思考、修改，即可尽快得到优化结果，从而能显著地缩短设计周期和降低成本。）（2）制造者受益（制造者在产品设计的最初阶段，也能拿到实在的产品样品、甚至试制用的工模具及少量产品，这使得他们能及早地对产品设计提出意见，做好原材料、标准件、外协加工件、加工工艺和批量生产用工模具等的准备，最大限度地减少失误和返工，大大节省工时、降低成本和提高产品质量。）

（3）推销者受益（推销者在产品设计的最初阶段也能拿到实在的产品样品甚至少量产品，这使得他们能据此及早、实在地向用户宣传和征求意见，以及进行比较准确的市场需求预测，而不是仅凭抽象的产品描述或图纸、样本来推销。）（4）用户受益（用户在产品设计的最初阶段，也能见到产品样品甚至少量产品，这使得他们能及早、深刻地认识产品，进行必要的测试，并及时提出意见，从而可以在尽可能短的时间内，以最合理的价格得到性能最符合要求的产品。）快速原型技术的优越性快速原型技术的工