反求工程論文

1、反求工程在快速成型技術(shù)中的應(yīng)用姓名： 孔 敏 班級(jí)： 材碩 1407班 學(xué)號(hào)： M201470922 摘要摘要: 闡述了反求工程與快速成型技術(shù)的基本概念, 分析了反求工程中數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容, 總結(jié)了反求工程和快速成型技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)及一體化的特點(diǎn), 并通過實(shí)例說明了逆向工程在快速成型中應(yīng)用, 證實(shí)了該方法的有用性和可靠性。最后展望了其應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞: 反求工程; 快速成型; 數(shù)據(jù)處理; 應(yīng)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目錄1 RE 的基本概念及測(cè)量原理11.1 RE 的基本概念11.2 激光三角法測(cè)量原理12 反求工程技術(shù)23 反求工程數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容33.1 數(shù)據(jù)處理33.2 反求工程與快速成型的數(shù)據(jù)交換34 反求工程與快速成型一體化44.1 三維數(shù)據(jù)采集44.2 三維模型重構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)44.2.1 三維模型重構(gòu)44.2.2 關(guān)鍵技術(shù)44.3 一體化應(yīng)具備的特點(diǎn)55 國內(nèi)外反求工程技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀66 反求工程應(yīng)用實(shí)例77 RE 技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì)8結(jié)束語

4、9參考文獻(xiàn)10 1 RE 的基本概念及測(cè)量原理1.1 RE 的基本概念RE 是指根據(jù)現(xiàn)有的樣本，利用三維數(shù)字化測(cè)量設(shè)備準(zhǔn)確、快速地獲取其輪廓坐標(biāo)，經(jīng)CAD 的三維曲面編輯和重構(gòu)后，輸入到CAD/CAM 系統(tǒng)，再由CAM 產(chǎn)生刀具的NC 加工程序代碼送至數(shù)控加工設(shè)備（CNC）加工設(shè)備制作所需的模具，或者送到快速成型機(jī)將樣品制作出來的過程。1.2 激光三角法測(cè)量原理RE 測(cè)量方法主要有接觸式測(cè)量法、非接觸式測(cè)量法和逐層掃描法。非接觸式測(cè)量法又分為極線約束法、投影光柵法和激光三角形法等，本文以當(dāng)前比較流行的三角測(cè)量法為例進(jìn)行介紹。應(yīng)用三角原理進(jìn)行測(cè)量的硬件系統(tǒng)主要由圖像采集卡、連接線（電纜）、線激光

5、發(fā)生器電源、CCD 攝像頭和微型計(jì)算機(jī)等組成。為了提高測(cè)量精度，減少測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的盲區(qū)，應(yīng)將兩個(gè)參數(shù)相同的CCD 攝像機(jī)對(duì)稱放置。三角測(cè)量法通過基準(zhǔn)平面、物距、像距及像點(diǎn)等之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算目標(biāo)的Z 坐標(biāo)值，如圖1 所示。 激光器 圖1 激光三角測(cè)量原理圖2 反求工程技術(shù)反求工程技術(shù)(Reverse Engineering, RE) 又稱逆向工程技術(shù), 是以產(chǎn)品及設(shè)備的實(shí)物、軟件( 圖樣、程序及技術(shù)文件) 或影像(圖片、照片)等作為研究對(duì)象, 反求出初始的設(shè)計(jì)意圖。簡單說, 反求就是對(duì)存在的實(shí)物模型或零件進(jìn)行測(cè)量并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)重構(gòu)出實(shí)物的CAD 模型, 進(jìn)而對(duì)實(shí)物進(jìn)行分析、修改、檢驗(yàn)和制造的過

6、程1。這里所指的反求是實(shí)物反求。反求工程是快速成型制造的重要數(shù)據(jù)來源之一, 將反求工程與快速成型技術(shù)相結(jié)合, 能夠在已有樣件或原型的基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)仿制, 進(jìn)行迅速評(píng)價(jià)、修改和產(chǎn)品的創(chuàng)新再設(shè)計(jì), 并自動(dòng)快速地將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為具有相應(yīng)結(jié)構(gòu)和功能的原型產(chǎn)品或直接制造出零部件, 縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研制周期, 降低新產(chǎn)品的研制成本和風(fēng)險(xiǎn), 從而快速響應(yīng)市場(chǎng)需求, 提高企業(yè)競爭力2。作為一種處理難以用CAD 設(shè)計(jì)的零件模型以及表面形狀極不規(guī)則的產(chǎn)品模型的最有利的土具, 可以實(shí)現(xiàn)零件的快速三維復(fù)制、CAD 建模和快速制造。它與快速成型的結(jié)合形成了一個(gè)設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)的快速設(shè)計(jì)制造閉合系統(tǒng)。本文主要討論反求工程和快

7、速成型的一些技術(shù), 并舉出實(shí)例。3 反求工程數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容3.1 數(shù)據(jù)處理構(gòu)造CAD 幾何模型前, 反求工程大致分三個(gè)階段: 首先對(duì)已有三維實(shí)體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(又稱零件數(shù)字化) , 生成數(shù)據(jù)“點(diǎn)云”; 然后對(duì)數(shù)據(jù)“點(diǎn)云”進(jìn)行濾波去噪處理, 去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的“壞點(diǎn)”; 最后通過曲面構(gòu)造技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行曲面擬合, 生成三維曲面模型。3.2 反求工程與快速成型的數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)交換主要包括以下方面: 用反求技術(shù)直接生成STL 文件, 供RP 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件直接使用, 產(chǎn)生代碼; 利用反求技術(shù)生成層片文件-CLI(Common Layer Interface)文件, 這種輸出比較適用于對(duì)各種C

8、T 圖像的反求, 并且由于RP 本身就是分層制造法, 用斷層圖像或矢量化的層片輪廓信息直接驅(qū)動(dòng)RP 設(shè)備逐層疊加而成三維實(shí)體; 利用反求技術(shù)來重構(gòu)出實(shí)體模型, 借助于CAD 系統(tǒng)來轉(zhuǎn)化成STL 文件。對(duì)于快速成型技術(shù)來說, 反求工程目的之一在于獲得產(chǎn)品的幾何造型與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù), 通過各種三維數(shù)字化儀得到零件造型和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)后, 可以借助三維重構(gòu)技術(shù)在CAD 軟件中重新編輯( 修改和縮放) , 再轉(zhuǎn)換成G-Code 或STL 文件, 供快速原型制造設(shè)備使用, 從而可直接加工制作出相應(yīng)的模具、模型或零件。4 反求工程與快速成型一體化4.1 三維數(shù)據(jù)采集目前先進(jìn)的快速成型技術(shù)進(jìn)行的前提就是有成型對(duì)象的三維

9、模型數(shù)據(jù)。所以物體三維表面測(cè)量及重建技術(shù)是以上技術(shù)實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)步驟, 有著重要的理論意義和實(shí)際意義。測(cè)量物體表面的數(shù)據(jù)點(diǎn)并再現(xiàn)物體形狀, 將其應(yīng)用于制造等領(lǐng)域一直是人們所追求的。三維數(shù)據(jù)的獲取方法分為兩大類, 接觸式與非接觸式測(cè)量方法: 接觸式測(cè)量方法通過傳感測(cè)量頭與樣件的接觸而記錄樣件表面的坐標(biāo)位置, 可以細(xì)分為點(diǎn)觸發(fā)式和連續(xù)式數(shù)據(jù)采集方法;非接觸式測(cè)量方法主要是基于光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域中的基本原理, 將一定的物理模擬量通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)化為樣件表面的坐標(biāo)點(diǎn)。根據(jù)測(cè)量原理的不同, 大致有光學(xué)測(cè)量、超聲波測(cè)量、電磁測(cè)量等方式, 這種方法的一個(gè)應(yīng)用是三維掃描技術(shù), 它是一種立體測(cè)量技術(shù)。與傳統(tǒng)的

10、技術(shù)相比,能夠完成復(fù)雜形體的點(diǎn)、面、形的三維測(cè)量, 能進(jìn)行高精度的快速無接觸測(cè)量。4.2 三維模型重構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)4.2.1 三維模型重構(gòu)在重建過程中存在許多干擾和不確定性因素, 如表格誤差、測(cè)量精度和方式、數(shù)據(jù)處理方式、表面重構(gòu)方式等。反求工程是基于已有實(shí)物模型或零件的測(cè)量數(shù)據(jù)的情況下, 進(jìn)行物體CAD 模型重建的過程。通常, 需要進(jìn)行人工干預(yù)來調(diào)整重構(gòu)模型的表面參數(shù)。因此, 整個(gè)反求工程過程是一個(gè)推理和判斷的過程。從曲面的三維采樣點(diǎn)集恢復(fù)出曲面的幾何模型稱之為曲面重建。目前, 在反求工程中, 主要有3 種曲面構(gòu)造方案: 以B-Spine 或NURBS 曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方案; 以三角Bez

11、ier 曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方案; 以多面體方式來描述曲面物體。曲面重構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù), 包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)篩選、曲線擬合、曲面擬合等。在曲面重構(gòu)過程中, 既要保證曲面質(zhì)量, 又要保證設(shè)計(jì)精度。4.2.2 關(guān)鍵技術(shù)曲面分層是曲面成形的關(guān)鍵技術(shù)之一。曲面分層是以一系列的曲面與CAD 模型求交。分層曲面如何確定是分層技術(shù)中的關(guān)鍵之一。曲面成形是為了解決小傾斜度表面的臺(tái)階誤差問題, 所以分層曲面需根據(jù)零件表面來確定。第二是要根據(jù)關(guān)鍵曲面, 構(gòu)造更多的中間分層面, 以保證層與層之間不會(huì)出現(xiàn)超出系統(tǒng)成型能力的厚度。成形控制技術(shù)是曲面成形的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。目前在曲面成形方面有以下幾個(gè)問題需要解決: 構(gòu)造分層曲

12、面, 包括確定曲面和構(gòu)造過渡曲面; 分層算法?，F(xiàn)有分層算法用平面和CAD 模型求交, 而曲面和CAD 模型的求交算法則很復(fù)雜; 噴頭運(yùn)動(dòng)軌跡控制。由于制造層片增加時(shí)增加了厚度層, 需使用三軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng), 同時(shí)噴頭的運(yùn)動(dòng)還要避免已成原形, 防止破壞; 材料輸送匹配。需要根據(jù)噴頭速度和成形高度實(shí)時(shí)控制材料的擠出量, 消除過堆和欠堆。4.3 一體化應(yīng)具備的特點(diǎn)一個(gè)與快速成型技術(shù)完全匹配的反求系統(tǒng)應(yīng)具備關(guān)鍵的七個(gè)特點(diǎn): 測(cè)量速度快, 精度高(±10m); 能測(cè)量內(nèi)外輪廓, 最好不破壞樣件; 能把測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAD 模型; 具有把CAD 模型文件轉(zhuǎn)換成STL 文件的功能并能直接切片;

13、 能自動(dòng)化測(cè)量, 且成本低; 不受或盡量不受外界條件和環(huán)境的限制; 能測(cè)量各種材質(zhì)、形狀且具有不同物理性能的物體。5 國內(nèi)外反求工程技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀RE 和RP 技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，應(yīng)用價(jià)值巨大，世界主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家的相關(guān)部門紛紛投入巨資研發(fā)和應(yīng)用RE 和RP 技術(shù)。他們都是從面向未來世界制造業(yè)全球競爭的戰(zhàn)略高度來對(duì)待這一技術(shù)。20 世紀(jì)90 年代中后期，國內(nèi)的一些大型企業(yè)，如科龍、新飛、海爾等先后從國外購買了快速成型設(shè)備。目前，RE 和RP 技術(shù)在航空航天、造船、機(jī)械、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、兒童玩具、家電、林業(yè)測(cè)繪、3C 產(chǎn)業(yè)、輕工、醫(yī)藥、工藝品制作、汽車等許多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，且應(yīng)用范圍也隨

14、著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善在不斷拓展。目前進(jìn)入我國市場(chǎng)的RE 測(cè)量設(shè)備主要有英國3D-Scanner 公司的激光掃描儀、美國FARO 公司的Focus 3D 大空間三維激光掃描儀、德國GOM 公司的ATOS（光柵照相式） 高精度非接觸三維逆向掃描設(shè)備等。這些測(cè)量設(shè)備功能強(qiáng)大，但價(jià)格非常昂貴。我國自加入WTO 以來經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制逐步得到完善，同時(shí)企業(yè)也面臨著前所未有激烈的國內(nèi)外市場(chǎng)競爭。各行業(yè)中產(chǎn)品的生命周期不斷縮短，更新速度越來越快，在家電、輕工、汽車、機(jī)械等領(lǐng)域尤為明顯，因此，縮短設(shè)計(jì)、開發(fā)和生產(chǎn)制造系統(tǒng)的周期就成為必然要求。在國際市場(chǎng)上，中國制造業(yè)的競爭能力仍然較差，主要原因之一是

15、對(duì)市場(chǎng)的快速反應(yīng)能力不強(qiáng)，交貨時(shí)間較長。目前，我國政府、企業(yè)和高校對(duì)反求技術(shù)應(yīng)用及研究的重視程度在不斷提高。近年來，國內(nèi)的一些高等院校，如華中科技大學(xué)、天津大學(xué)、西安交大、清華大學(xué)等都在積極開展RE 測(cè)量設(shè)備的研制開發(fā)，并占據(jù)了相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)份額。國內(nèi)該類產(chǎn)品的價(jià)格相對(duì)較低，并且在功能上不斷改進(jìn)完善，在這一領(lǐng)域具有巨大發(fā)展?jié)摿透偁幜Α? 反求工程應(yīng)用實(shí)例利用反求工程對(duì)實(shí)物汽車引擎蓋進(jìn)行三維重構(gòu), 具體步驟是:(1) 點(diǎn)云的采集利用三坐標(biāo)ATOS 測(cè)量機(jī)生成的引擎蓋自由曲面的掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)云, 如圖2(a) 2) 創(chuàng)建曲線這里應(yīng)用軟件Imageware 對(duì)噴頭做點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 對(duì)讀入的點(diǎn)云進(jìn)行曲線

16、編輯和修改, 使曲線均勻并且兼容, 如圖2( b) 。( 3) 生成曲面對(duì)曲面進(jìn)行編輯、驗(yàn)證和修飾, 如圖2( c) 。( 4) 對(duì)生成的曲面進(jìn)行誤差分析其實(shí)質(zhì)是對(duì)生成的曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析, 比較曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差, 如圖2(d)。(5)汽車引擎蓋膠模制作采用西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所研制開發(fā)的激光快速成型機(jī)(LaserPrototypingSystem)SPS-600 制作光敏樹脂原型,采用光固化樹脂在成型機(jī)里進(jìn)行澆注, 此過程主要以快速成型制作的原型作為母模進(jìn)行硅橡膠模的制作。其工藝流程為:將母模放入型框,在真空澆注機(jī)中注入混合好的液態(tài)硅橡膠, 再放到烘箱中固化, 便得到硅橡

17、膠模。按照零件的復(fù)雜程度設(shè)計(jì)分模面,將硅橡膠模切割成上下兩塊, 取出母模便制作完畢。當(dāng)需要復(fù)制原型時(shí), 尤其對(duì)于批量不大的塑件生產(chǎn), 可以采用RP原型快速翻制的硅橡膠模具通過樹脂材料真空注型來實(shí)現(xiàn)。這里將快速成型技術(shù)與鑄造工藝的結(jié)合使得快速成型技術(shù)與鑄造技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)均得到充分的發(fā)揮。7 RE 技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì)（1）數(shù)據(jù)測(cè)量方面:研發(fā)專用的反求測(cè)量設(shè)備，能進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量和路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)高速、高精度的產(chǎn)品幾何形狀的3D 數(shù)字化。（2）數(shù)據(jù)的預(yù)處理方面:研發(fā)一種能針對(duì)各種類型測(cè)量數(shù)據(jù)通用的處理軟件，以優(yōu)化現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理算法。（3）集成技術(shù)方面:發(fā)展集模型重建技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計(jì)和數(shù)字

18、化制造技術(shù)等于一身的反求技術(shù)。（4）基于光學(xué)三角原理的激光線掃描法：采用接觸式測(cè)量是反求技術(shù)中傳統(tǒng)的測(cè)量方法，盡管這種方法具有較高的測(cè)量精度，但還存在一些固有的缺陷，如有的工作表面由于受測(cè)頭的限制而無法測(cè)量，測(cè)量速度不高，被測(cè)零件的表面容易被劃傷等。計(jì)算機(jī)技術(shù)和光電技術(shù)的不斷發(fā)展，為采用激光非接觸測(cè)量法提供了便利。這種測(cè)量方法可有效解決測(cè)頭半徑補(bǔ)償問題，能實(shí)現(xiàn)高速的三維測(cè)量。激光測(cè)量方式主要包括點(diǎn)掃描、線掃描和光柵掃描等。目前，基于三角原理的激光線掃描法在快速成型制造中應(yīng)用最廣泛，也是將來的發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)束語基于RP 技術(shù)的快速模具制造由于技術(shù)集成度高,從CAD數(shù)據(jù)到物理實(shí)體轉(zhuǎn)換過程快,制模成本

19、低,精度和模具壽命能滿足某種特定的功能需要, 綜合經(jīng)濟(jì)效益良好,特別適用于新產(chǎn)品開發(fā)試制、工藝驗(yàn)證和功能驗(yàn)證。反求工程是處理難以用CAD 設(shè)計(jì)的零件模型以及表面形狀極不規(guī)則的產(chǎn)品模型的最有利的工具, 可以實(shí)現(xiàn)零件的快速三維復(fù)制、CAD 建模和快速制造。較之于規(guī)則曲面零件, 復(fù)雜曲面零件的設(shè)計(jì)、加工、精度檢驗(yàn)等信息的獲取要復(fù)雜得多, 通常采用反求工程技術(shù)來完成。今后, 在產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)開發(fā)和復(fù)雜型面的快速成型方面將產(chǎn)生重大的意義?？傊?反求技術(shù)為快速設(shè)計(jì)和制造提供了很好的技術(shù)支持,它已經(jīng)成為制造業(yè)信息傳遞重要而簡潔的途徑之一。隨著新的快速成型技術(shù)的不斷出現(xiàn), 快速制模技術(shù)也在不斷發(fā)展,并將成為快速制造的重要組成部分。參考文獻(xiàn)1 王光春, 趙國群. 快速成型與快速磨具制造技術(shù)及其應(yīng)用M. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.2 劉偉軍. 快速成型技術(shù)及應(yīng)用M. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2005. 1