逆向工程及快速成型技術(shù)

1、 1.1 、逆向工程的概念 1.2 、逆向工程的應(yīng)用及發(fā)展趨勢 1.3 、逆向工程設(shè)計(jì)制造的工作流程 1.4 、逆向工程的關(guān)鍵技術(shù) 1.5 、逆向工程常用軟件 、 一、逆向工程顧名思義就是反其道而行之。針對一現(xiàn)有樣品，利用3D數(shù)字化測量儀器準(zhǔn)確、快速地將其輪廓坐標(biāo)量得，并進(jìn)行CAD曲面重構(gòu)，編輯修改后，傳至一般的CAD/CAM系統(tǒng)，再由CAM產(chǎn)生刀具的NC加工路徑送至CNC加工設(shè)備制作所需的模具，或者送到快速成型機(jī)（RP）將樣品制作出來。 二、逆向工程分類二、逆向工程分類 根據(jù)反求對象的不同可分為根據(jù)反求對象的不同可分為 1.實(shí)物逆向：是有產(chǎn)品實(shí)物的條件下，通過測繪分析，從而再創(chuàng)造。 2.軟件

2、逆向：通過產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設(shè)計(jì)書、使用說明書、有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等一些技術(shù)軟件去分析設(shè)計(jì)。 3.影像逆向：設(shè)計(jì)者無產(chǎn)品實(shí)物，也無技術(shù)軟件，僅有產(chǎn)品的圖片、廣告介紹或參觀后的印象等，設(shè)計(jì)者需要從這些影像資料去構(gòu)思設(shè)計(jì)產(chǎn)品。 一、逆向工程應(yīng)用一、逆向工程應(yīng)用 逆向工程的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，有模具制造業(yè)、玩具業(yè)、游戲業(yè)、電子業(yè)、鞋業(yè)、高爾夫球業(yè)、藝術(shù)業(yè)、醫(yī)學(xué)工程及產(chǎn)品造型等方面。 具體應(yīng)用：具體應(yīng)用： （1）在對產(chǎn)品外形的美學(xué)有特殊要求的領(lǐng)域 （2）零件沒有技術(shù)文件或技術(shù)文件不完整時(shí) （3）設(shè)計(jì)的產(chǎn)品需要通過實(shí)驗(yàn)測試才能定型時(shí) （4）模具行業(yè) （5）很難表達(dá)的幾何形狀 （6）新產(chǎn)品的開發(fā) （7）文物藝術(shù)品

3、的修復(fù) （8）快速原型制造 鞋楦的掃描與反求 汽車造型的掃描與反求 復(fù)雜曲面的反求 骨骼掃描及反求牙頜的點(diǎn)云及反求狗頭部的點(diǎn)云及反求狗頭部的點(diǎn)云及反求人面部的點(diǎn)云和反求人面部的點(diǎn)云和反求 藝術(shù)品的點(diǎn)云和反求 二、逆向工程的發(fā)展趨勢 逆向工程技術(shù)是目前CAD/CAM領(lǐng)域一個(gè)十分活躍的研究方向，以下技術(shù)的發(fā)展值得期待： （1）發(fā)展面向逆向工程的專用測量系統(tǒng) （2）研究適應(yīng)不同的測量方法和后續(xù)用途的離散數(shù)據(jù)后處理技術(shù)。 （3）擬合曲面應(yīng)能控制曲面的光順性和進(jìn)行光滑的拼接 （4）有效的特征識別和考慮約束的模型重建方法 （5）發(fā)展基于集成的逆向工程技術(shù) 逆向工程和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造流程中的各個(gè)功能模塊，在序

4、列上被相互換位倒置。 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造是從無到有的設(shè)計(jì)，從概念設(shè)計(jì)出發(fā)到最終形成CAD模型是一個(gè)確定明晰的過程。 逆向工程是對現(xiàn)有產(chǎn)品模型的再設(shè)計(jì)，從現(xiàn)在產(chǎn)品原型到最終形成CAD模型是一個(gè)推理、逼近的過程。一般可分為5個(gè)階段: (1)零件原型的三維數(shù)字化測量 (2)提取零件原型的幾何特征 (3)零件原型的三維重構(gòu) (4)CAD模型的分析及改進(jìn)，校驗(yàn)與修正 逆向工程的流程圖：實(shí)物 /原型數(shù)據(jù)獲取反求軟件設(shè)計(jì)意圖理解設(shè)計(jì)意圖理解原始設(shè)計(jì)參數(shù)還原CAD系統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)字化模型產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)新產(chǎn)品數(shù)字化模型制造與檢測計(jì)算機(jī)輔助分析(CAE)新產(chǎn)品原型修改 逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)為： (1)數(shù)據(jù)獲取 數(shù)據(jù)獲取是逆向工

5、程CAD建模的首要環(huán)節(jié)，根據(jù)測量方式的不同，數(shù)據(jù)采集方法可分為：接觸式測量和非接觸式測量。 (2)數(shù)據(jù)預(yù)處理 數(shù)據(jù)預(yù)處理是逆向工程CAD建模的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的結(jié)果將直接影響后期重建模型的質(zhì)量。預(yù)處理技術(shù)包括測量數(shù)據(jù)的壞點(diǎn)、測量誤差的去除，多視圖測量數(shù)據(jù)的整體拼接，冗雜數(shù)據(jù)的去除，測量數(shù)據(jù)的簡化和優(yōu)化。 (3)數(shù)據(jù)分塊與曲面重構(gòu) 數(shù)據(jù)分塊是為曲面重構(gòu)服務(wù)的，曲面重構(gòu)也是逆向工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其目的是要構(gòu)造出滿足精度、光順性以及相鄰的曲面光滑拼接的曲面模型。 (4)CAD模型構(gòu)造 目的是獲得完整一致的邊界表示CAD模型，即用完整的面、邊、點(diǎn)信息來表示模型的位置和形狀。 精度反映反求模型與產(chǎn)品實(shí)物差距的

6、大小，其評價(jià)指標(biāo)分為整體指標(biāo)、局部指標(biāo)、量化指標(biāo)和非量化指標(biāo)。精度評價(jià)是逆向工程的一項(xiàng)重要內(nèi)容，產(chǎn)品性能達(dá)不到原設(shè)計(jì)的要求，其中重建模型不能還原原模型是主要原因之一。 (5)快速原型 快速原型是逆向工程的一個(gè)必要環(huán)節(jié)，快速原型機(jī)可用來快速制作實(shí)物，能實(shí)現(xiàn)原型的放大、縮小、修改等功能。 (6)逆向工程的接口技術(shù) 其中包括：測量數(shù)據(jù)與快速成型系統(tǒng)的接口(STL文件)，測量數(shù)據(jù)與CNC設(shè)備的接口(DXF、IGES、點(diǎn)云文件)，測量數(shù)據(jù)與CAD/CAM系統(tǒng)的接口(DXF、IGES、STEP文件)，以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有的制造設(shè)備、CAD/CAE/CAM等軟件的數(shù)據(jù)交換。 (7)實(shí)物尺寸的三維測量技術(shù) 下圖是三坐

7、標(biāo)測量機(jī)-CMM 逆向工程軟件能直接接收來自測量設(shè)備的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，通過必要的編輯和功能處理，生成復(fù)雜的三維曲線或曲面模型，匹配上標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式后，將這些曲線、曲面數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶线m的CAD/CAM系統(tǒng)中，經(jīng)過反復(fù)修改后，完成最終的產(chǎn)品造型。 常用的你先工程軟件大致可分為三類： (1)對測量點(diǎn)云后置處理后直接生成曲面，生成的曲面需要轉(zhuǎn)換到其他的CAD/CAM系統(tǒng)中做后續(xù)處理。 (2)對測量點(diǎn)云后置處理后直接生成曲面，生成的曲面可采取無縫連接的方式被集成的CAD/CAM系統(tǒng)做后續(xù)處理。 (3)按特征構(gòu)建的方式生成幾何模型。 第一類逆向工程軟件:主要代表有ImageWare、ICEM Surf、GeoMa

8、gic 第二類逆向工程軟件：主要代表有CopyCAD 第三類逆向工程軟件：主要代表有主流的CAD/CAM軟件，如CATIA、PRO/E等 幾款常用的逆向工程軟件： GeoMagic:美國RainDrop公司開發(fā)的，具有豐富的數(shù)據(jù)處理手段，可快速的構(gòu)造連續(xù)的曲面造型，應(yīng)用領(lǐng)域從工業(yè)設(shè)計(jì)到醫(yī)療方針等多個(gè)方面。 ImageWare：作為UG外掛的逆向工程軟件包，具有強(qiáng)大的測量數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測等功能。 CopyCAD：英國DELCAM公司開發(fā)的系列CAD產(chǎn)品中的集成模塊，主要處理測量數(shù)據(jù)的曲面造型。 RapidForm：韓國INUS公司開發(fā)的逆向工程軟件，主要用于測量、掃描數(shù)據(jù)的曲線建模以

9、及基于CT數(shù)據(jù)的醫(yī)療圖像建模，還可以完成藝術(shù)品的測量建模。 市場上能見到的大部分逆向工程軟件基本上都是國外產(chǎn)的，國內(nèi)的很少見，即使有，也不具備與國外軟件相競爭的實(shí)力。比如國產(chǎn)的QuickForm是國內(nèi)逆向工程軟件中比較好的一款，但是市場占有率較低，唯一有優(yōu)勢的地方就是價(jià)格。 2.1 快速成型技術(shù)概論 2.2 快速成型技術(shù)加工方法和設(shè)備 2.3 快速成型技術(shù)的應(yīng)用 2.4 快速成型技術(shù)中的問題 2.5 快速成型技術(shù)的發(fā)展前景2.1快速成型技術(shù)概述 產(chǎn)生的背景： 全球制造戰(zhàn)略的變遷： 制造模式的改變： 批量小 品種多 改型快90年代：市場響應(yīng)速度80年代：產(chǎn)品質(zhì)量70年代：生產(chǎn)成本60年代：生產(chǎn)規(guī)

10、模50年代：生產(chǎn)規(guī)模 快速成型技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的，是由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維物理實(shí)體的技術(shù)總成。 不同種類的快速成型系統(tǒng)因所用成型材料不同，成型原理和系統(tǒng)特點(diǎn)也各有不同。 但是，基本原理都是一樣的，那就是“分層制造，逐層疊加”。 快速成型技術(shù)的工作原理 零件數(shù)據(jù)CAD模型的建立 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換文件的生成 由三維造型系統(tǒng)將零件CAD數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換成一種可被快速成型系統(tǒng)所能接受的文件。 分層切片 分層切片處理是根據(jù)成型工藝要求，按照一定的離散規(guī)則將實(shí)體模型離散為一系列有序的單元按一定的厚度進(jìn)行離散。 層片信息處理 根據(jù)每個(gè)層片的輪廓信息，進(jìn)行工藝規(guī)劃，選擇合適成型參

11、數(shù)，自動(dòng)生成數(shù)控代碼。 快速堆積成型 快速成型系統(tǒng)根據(jù)切片的輪廓和厚度要求，用片材、絲材、液體或粉末材料制成所要求的薄片，通過一片片的堆積，最終完成三維形體原型的制備。CAD模型數(shù)據(jù)文件分層切片層片信息處理層片制造與連接所有層片均處理完畢后續(xù)處理在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行離散處理離散過程在成型機(jī)中進(jìn)行層片堆積堆積過程 快速成型技術(shù)的主要特點(diǎn)： (1)可以制造任意復(fù)雜的三維實(shí)體 (2)快速性：幾個(gè)小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí)就可制造出零件 (3)高度柔性：無需任何專用夾具或工具 (4)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與性能的及時(shí)快速優(yōu)化 (5)進(jìn)行小批量生產(chǎn) (6)有利于環(huán)保2.2 快速成型技術(shù)加工方法和設(shè)備 目前快速成型技術(shù)的快速成型工藝方

12、法有十多種。比較成熟的而且常用的四種成型方法有：光固化成型、分層實(shí)體制造、選擇域激光粉末燒結(jié)成型、熔融沉積成型。 1. 光固化法技術(shù)是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的，這種液態(tài)材料在一定波長和強(qiáng)度的紫外光照射下，能迅速發(fā)生聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。 優(yōu)點(diǎn)： (1)原材料的利用率將近100%。 (2)尺寸精度高 (3)表面質(zhì)量優(yōu)良 (4)可以制作結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的模型 缺點(diǎn)： (1)成型過程中伴隨著物理和化學(xué)變化，所以制件較易彎曲，需要支撐。 (2)可使用的材料種類比較少 (3)液態(tài)樹脂具有氣味和毒性，并且需要避光保護(hù)，以防止提前發(fā)生聚合反應(yīng)，選擇時(shí)具有時(shí)限性。光固化快速

13、原型 2. 分層實(shí)體制造采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。 優(yōu)點(diǎn)： (1)成型效率高。LOM工藝只需在片材上切割出零件界面的輪廓，而不用掃描整個(gè)截面，因此成型厚壁零件的速度較快，易于制造大型零件。 (2)無翹曲變形，工藝過程中不存在材料相變，因此沒有熱應(yīng)力、膨脹和收縮不易引起翹曲變形： (3)無需加支撐，共建外框與界面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作用，因此無需加支撐。 缺點(diǎn)： 材料浪費(fèi)嚴(yán)重，表面質(zhì)量差。分層實(shí)體制造 3. 選擇域激光粉末燒結(jié)成型是用實(shí)用高效率的激光加熱，把粉末融化在一起形成零件，該工藝可用于多種塑性塑料的成型，如尼龍、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯類等

14、。 優(yōu)點(diǎn)：無需支撐，成型的零件機(jī)械性能好，強(qiáng)度高。 缺點(diǎn)：粉末比較松散，燒結(jié)后精度不高，尤其是Z軸方向的精度難以控制。粉末激光燒結(jié)快速原型 4. 熔融沉積成型工藝中的材料一般是熱塑性材料，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)。 優(yōu)點(diǎn)： (1)由于熱融擠壓頭系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡單，維護(hù)成本低，系統(tǒng)運(yùn)行安全。 (2)原材料在成型過程中無化學(xué)變化，制件的翹曲變形小。 (3)原材料利用率高，且材料壽命長。 缺點(diǎn)： (1)成型件表面有明顯的條紋。 (2)沿成型軸垂直方向的強(qiáng)度比較弱。 (3)需要支撐。熔融沉積快速成型

15、2.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用 快速成型技術(shù)的最初應(yīng)用主要集中在產(chǎn)品開發(fā)中的設(shè)計(jì)評價(jià)、功能試驗(yàn)上。設(shè)計(jì)人員根據(jù)快速成型得到的試件原型對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)分析、性能評價(jià)，借此縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期、降低設(shè)計(jì)費(fèi)用。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，快速原型技術(shù)早已突破了其最初意義上的“原型”概念，向著快速零件、快速工具等方向發(fā)展。 目前快速成型技術(shù)已經(jīng)得到了工業(yè)界的普遍關(guān)注，尤其在家用電器、汽車、玩具、輕工業(yè)產(chǎn)品、建筑模型、醫(yī)療器械及人造器官模型、航天器以及從事CAD的部門都得到了良好的應(yīng)用。概念模型可視化功能模型熔鑄模型砂型鑄造直接用于型腔模具用于翻制硅膠膜連體嬰兒的治療 快速成型制造的主要用途： (1)新產(chǎn)品研制開

16、發(fā)階段的試驗(yàn)驗(yàn)證。 (2)新產(chǎn)品投放市場前的調(diào)研和宣傳。 (3)基于快速成型技術(shù)的快速制模技術(shù)。 (4)新材料的研究。 (5)修復(fù)醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。 (6)小批量和特殊復(fù)雜零件的直接生產(chǎn)。2.4快速成型技術(shù)中的問題 1. 硬件問題 快速成型技術(shù)的設(shè)備昂貴成為了制約其推廣和應(yīng)用的主要原因，尤其是中小型企業(yè)不具備雄厚的資金。 2. 軟件問題 快速成型技術(shù)中的軟件分為成型系統(tǒng)的控制軟件和成型系統(tǒng)與CAD模型的接口軟件。面對比較復(fù)雜的模型時(shí)，處理的速度和精度都不高。 3. 材料問題 目前快速成型技術(shù)中的材料的成型性能大多不理想，成型件的物理性能還不能完全滿足功能性、半功能性零件的要求。必須借助二次開發(fā)和后處理才能達(dá)到比較理想的結(jié)果。 4. 成型工藝的問題 由于樹脂的收縮在在層層堆積時(shí)所產(chǎn)生的層間粘接應(yīng)力和未固化的殘留液態(tài)