關(guān)于“反求工程與快速成型一體化應(yīng)用研究”的學(xué)習(xí)總結(jié)

1、關(guān)于“反求工程與快速成型一體化應(yīng)用研究”的學(xué)習(xí)總結(jié)機(jī)研0804 朱曉博 （）快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping&Manufacturing,RP&M)是20 世紀(jì)80 年代末期發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù), 它借助計(jì)算機(jī)、激光、精密傳動、精密伺候等現(xiàn)代化手段, 將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD) 、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM) 、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC) 集成于一體, 根據(jù)在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造的三維模型, 能在短時間內(nèi)運(yùn)用一定材料制造產(chǎn)品樣品, 無需傳統(tǒng)的機(jī)械加工機(jī)床和模具的一種添加成型技術(shù)1。反求工程技術(shù)(Reverse Engineering, RE) 又稱逆向工程技術(shù), 是以產(chǎn)

2、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)等作為研究對象, 反求出初始的設(shè)計(jì)意圖。簡單說, 反求就是對存在的實(shí)物模型或零件進(jìn)行測量并根據(jù)測量數(shù)據(jù)重構(gòu)出實(shí)物的CAD 模型, 進(jìn)而對實(shí)物進(jìn)行分析、修改、檢驗(yàn)和制造的過程。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)行迅速評價(jià)、修改和產(chǎn)品的創(chuàng)新再設(shè)計(jì), 并自動快速地將設(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)市場需求, 提高企業(yè)競爭力

3、。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)合形成了一個設(shè)計(jì)、制造、檢測的快速設(shè)計(jì)制造閉合系統(tǒng)。本文主要討論反求工程和快速成型的一些技術(shù), 并舉出實(shí)例。1 反求工程數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容1.1 數(shù)據(jù)處理構(gòu)造CAD 幾何模型前, 反求工程大致分三個階段: 首先對已有三維實(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)對數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行曲面擬合, 生成三維曲面模型。1.2 反求工程與快速成型的

4、數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)交換主要包括以下方面3: 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各種CT 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

5、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。2 反求工程與快速成型一體化2.1 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象的三維模型數(shù)據(jù)。所以物體三維表面測量及重建技術(shù)是以上技術(shù)實(shí)現(xiàn)的第一個步驟, 有著重要的理論意義和實(shí)際意義。測量物體表面的數(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量方法: 接觸式測量方法通過傳感測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;非接觸式測量方法主

6、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)測量原理的不同, 大致有光學(xué)測量、超聲波測量、電磁測量等方式, 這種方法的一個應(yīng)用是三維掃描技術(shù), 它是一種立體測量技術(shù)。與傳統(tǒng)的技術(shù)相比,能夠完成復(fù)雜形體的點(diǎn)、面、形的三維測量, 能進(jìn)行高精度的快速無接觸測量。2.2 三維模型重構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)2.2.1 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

7、面參數(shù)。因此, 整個反求工程過程是一稱之為曲面重建。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Bezier 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。2.2.2 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)

8、鍵曲面, 構(gòu)造更多的中間分層面, 以保證層與層之間不會出現(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關(guān)鍵技術(shù)。目前在曲面成形方面有以下幾個問題需要解決: 構(gòu)造分層曲面, 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)動軌跡控制。由于制造層片增加時增加了厚度層, 需使用三軸聯(lián)動的運(yùn)動控制系統(tǒng), 同時噴頭的運(yùn)動還要避免已成原形, 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)時控制材料的擠出量, 消除過堆和欠堆。2.3 一體化應(yīng)具備的特點(diǎn)一個與快速成型技術(shù)完全匹配的反求系統(tǒng)應(yīng)具備關(guān)鍵的七個特點(diǎn):

9、測量速度快, 精度高(±10m); 能測量內(nèi)外輪廓, 最好不破壞樣件; 能把測量數(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; 能自動化測量, 且成本低; 不受或盡量不受外界條件和環(huán)境的限制; 能測量各種材質(zhì)、形狀且具有不同物理性能的物體。2.4 一體化流程描述重構(gòu)的一體化流程如圖1 所示。3 反求工程應(yīng)用實(shí)例利用反求工程對實(shí)物汽車引擎蓋進(jìn)行三維重構(gòu), 具體步驟6-9是:(1)點(diǎn)云的采集利用三坐標(biāo)ATOS 測量機(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 對噴頭做點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 對讀

10、入的點(diǎn)云進(jìn)行曲線編輯和修改, 使曲線均勻并且兼容, 如圖2( b) 。(3) 生成曲面對曲面進(jìn)行編輯、驗(yàn)證和修飾, 如圖2( c) 。Imageware 在曲面構(gòu)造方面是基于NURBS來完成的,又稱非均勻有理B 樣條曲面,它的數(shù)學(xué)模型為: 式中:di,j 為控制頂點(diǎn),呈拓?fù)渚匦侮嚵?形成一個控式中:di,j 為控制頂點(diǎn),呈拓?fù)渚匦侮嚵?形成一個控制網(wǎng)格, i=0, 1, , m; j=0, 1, , n; #i,j 為與頂點(diǎn)di,j聯(lián)系的權(quán)因子, 規(guī)定四角頂點(diǎn)處用正權(quán)因子,即#0,0,#m,0,#0,n,#m,n>0, 其余i,j0 且順序k×l 個權(quán)因子不能同時為零; Ni,

11、k (!), Nj,l (")為分別為u 向k次和" 向l 次的規(guī)范B 樣條基。(4) 對生成的曲面進(jìn)行誤差分析其實(shí)質(zhì)是對生成的曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析, 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, 便得到硅橡膠模。按照零件的復(fù)雜程

12、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, 尤其對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。4 總結(jié)與思考基于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