逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用 第3版 課件 陳雪芳 項(xiàng)目一 逆向工程技術(shù)認(rèn)識(shí)；項(xiàng)目二 三維數(shù)據(jù)掃描

逆向工程與快速成型

技術(shù)應(yīng)用2課程介紹該課程是偏機(jī)類專業(yè)的一門(mén)拓展課，是面向從事產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)人員崗位的職業(yè)技術(shù)技能學(xué)習(xí)課程。為學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)、利用先進(jìn)手段開(kāi)展機(jī)械設(shè)計(jì)和制造打下良好的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)要求：掌握逆向工程和快速成型的基本理論，具備使用三維測(cè)量設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量的技能，應(yīng)用Geomagic軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理技能，利用快速成型設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品制作的技能主要內(nèi)容：項(xiàng)目一逆向工程技術(shù)認(rèn)知——逆向工程技術(shù)內(nèi)涵和應(yīng)用領(lǐng)域項(xiàng)目二

三維數(shù)據(jù)掃描——數(shù)據(jù)采集方法及掃描案例項(xiàng)目三

數(shù)據(jù)處理及數(shù)模重構(gòu)——Geomagic軟件中數(shù)據(jù)處理及數(shù)模重構(gòu)的方法項(xiàng)目四

快速成型技術(shù)認(rèn)知——快速成型技術(shù)內(nèi)涵、成型工藝及應(yīng)用項(xiàng)目五原型的制作——快速成型的前處理及典型工藝的原型制作逆向工程快速成型內(nèi)容選取

模擬工作環(huán)境，按照產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)與快速制造流程，用合理的數(shù)據(jù)掃描設(shè)備，采集產(chǎn)品數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)模重構(gòu)，用合理的快速成型工藝，快速制造出新產(chǎn)品。產(chǎn)品快速成型產(chǎn)品模型重構(gòu)產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品數(shù)據(jù)掃描產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)與快速制造產(chǎn)品新產(chǎn)品課程考核以過(guò)程考核為主，理論考查+實(shí)操考核。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：（1）平時(shí)（課堂表現(xiàn)、課堂發(fā)言、課堂參與、出勤）15%（2）實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)參與、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)結(jié)果）45%，（3）書(shū)面理論考查40%6市場(chǎng)環(huán)境的變化

——企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇，產(chǎn)品市場(chǎng)壽命縮短設(shè)計(jì)環(huán)境的變化

——開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品成功率要高，而設(shè)計(jì)周期要短制造環(huán)境的變化

——多品種、小批量（大規(guī)模的定制化）呼喚產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)技術(shù)！

產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境的變化7

設(shè)計(jì)

樣機(jī)

生產(chǎn)工程需求圖檔工業(yè)設(shè)計(jì)？樣品？試驗(yàn)如何快速制造？產(chǎn)品小批量？逆向工程、快速成形、快速模具是產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)技術(shù)！任務(wù)一初識(shí)逆向工程任務(wù)二再識(shí)逆向工程任務(wù)三了解逆向工程應(yīng)用項(xiàng)目一逆向工程技術(shù)認(rèn)知9掌握逆向工程技術(shù)的概念和工作流程，理解逆向工程技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)施的軟硬件條件，了解逆向工程技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用方法。能力目標(biāo)知識(shí)要點(diǎn)了解逆向工程技術(shù)的基本概念逆向工程、正向設(shè)計(jì)了解逆向工程的流程逆向工程技術(shù)工作流程了解逆向工程的應(yīng)用和意義逆向工程的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)W習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)要求傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)方法－過(guò)程N(yùn)o需求分析詳細(xì)設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)工藝規(guī)劃可行性分析？Yes樣機(jī)試制

制造設(shè)計(jì)與制造信息描述

是從構(gòu)思到數(shù)字模型，再到產(chǎn)品（實(shí)物）的演化過(guò)程任務(wù)一初始逆向工程傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)方法－表達(dá)設(shè)計(jì)信息可用參數(shù)精確描述12我國(guó)引進(jìn)的產(chǎn)品如何深入研究、消化、吸收這些先進(jìn)技術(shù)，探索引進(jìn)產(chǎn)品中的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)、創(chuàng)新、開(kāi)發(fā)出符合我國(guó)國(guó)情的先進(jìn)產(chǎn)品，形成自己的技術(shù)體系。

逆向工程技術(shù)產(chǎn)生的背景背景之一13復(fù)雜產(chǎn)品（如飛機(jī)、汽車(chē)等主模型）型面構(gòu)成復(fù)雜，現(xiàn)階段必須制造出實(shí)物原型，在實(shí)物原型的基礎(chǔ)上開(kāi)展開(kāi)發(fā)。

逆向工程技術(shù)產(chǎn)生的背景背景之二概念設(shè)計(jì)效果圖油泥模型風(fēng)洞試驗(yàn)修改模型定型數(shù)字化測(cè)量模型重構(gòu)制造模型符合空氣動(dòng)力學(xué)性能的流線性14逆向工程（ReverseEngineering，簡(jiǎn)稱RE）是將實(shí)物模型轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的相關(guān)數(shù)字化測(cè)量技術(shù)、幾何模型重構(gòu)技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。逆向工程的定義15概念設(shè)計(jì)汽車(chē)儀表板開(kāi)發(fā)流程16效果圖汽車(chē)儀表板開(kāi)發(fā)流程17油泥模汽車(chē)儀表板開(kāi)發(fā)流程18測(cè)量汽車(chē)儀表板開(kāi)發(fā)流程19點(diǎn)云數(shù)據(jù)汽車(chē)儀表板開(kāi)發(fā)流程20CAD模型汽車(chē)儀表板開(kāi)發(fā)流程21

最終產(chǎn)品汽車(chē)儀表板開(kāi)發(fā)流程23任務(wù)二再識(shí)逆向工程——工作流程24數(shù)據(jù)測(cè)量——是指通過(guò)特定的測(cè)量方法和設(shè)備，將物體表面形狀轉(zhuǎn)換成幾何空間坐標(biāo)點(diǎn)，從而得到逆向建模以及尺寸評(píng)價(jià)所需數(shù)據(jù)的過(guò)程。數(shù)據(jù)測(cè)量是逆向工程的第一步，也是后續(xù)工作的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)處理——包括了雜點(diǎn)的刪除、多視覺(jué)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化、數(shù)據(jù)補(bǔ)缺、數(shù)據(jù)平滑等。模型重構(gòu)——根據(jù)實(shí)物樣件的特征重構(gòu)出三維模型的過(guò)程。兩種重構(gòu)方法：對(duì)于精度要求較低、形面復(fù)雜的如玩具、藝術(shù)品等的逆向設(shè)計(jì)，常采用基于三角面片直接建模；對(duì)于精度要求較高的，形面復(fù)雜產(chǎn)品的逆向開(kāi)發(fā)，常采用擬合NURBS或參數(shù)曲面建模的方法。任務(wù)二再識(shí)逆向工程——實(shí)施的條件硬件條件軟件條件1）專用的逆向軟件：Imageware、GeomagicStudio等

2）基于正向的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)軟件：CATIA、UG、Pro-E三維掃描設(shè)備產(chǎn)品制造設(shè)備——切削加工設(shè)備、快速成型設(shè)備26涉及到的主要技術(shù)：數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、模型重構(gòu)技術(shù)27

當(dāng)設(shè)計(jì)無(wú)法直接在設(shè)計(jì)軟件中準(zhǔn)確表示，或需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試才能定型的工件模型（比如航天航空、汽車(chē)等領(lǐng)域），通常首先做成油泥、木?；蚺菽芰献龀僧a(chǎn)品的比例模型，模型用逆向工程技術(shù)將其轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的三維CAD模型及其模具。新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用(1)任務(wù)三了解逆向過(guò)程的應(yīng)用28產(chǎn)品的仿制和改型設(shè)計(jì)

應(yīng)用(2)29模具快速制造應(yīng)用領(lǐng)域破損模具的制成控制與快速修補(bǔ)(3)30模具快速制造應(yīng)用(3)模具測(cè)量重構(gòu)模型31應(yīng)用于產(chǎn)品檢測(cè)應(yīng)用(4)32顱骨修補(bǔ)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用(5)

利用CT、MRI數(shù)據(jù)，利用逆向工程技術(shù)將斷層掃描信息轉(zhuǎn)換為三維數(shù)字模型，為醫(yī)學(xué)教學(xué)、手術(shù)輔助提供數(shù)據(jù)參考，與快速成型結(jié)合，定制組織器官、骨架等模型。33特種服裝、頭盔的制造要以使用者的身體為原始設(shè)計(jì)依據(jù)，此時(shí)，需首先建立人體的幾何模型。服裝、頭盔、鞋子設(shè)計(jì)等應(yīng)用(6)3435逆向工程也廣泛用于修復(fù)破損的文物、藝術(shù)品，或缺乏供應(yīng)的損壞零件等。此時(shí)，不需要復(fù)制整個(gè)零件，只是借助逆向工程技術(shù)抽取原來(lái)零件的設(shè)計(jì)思想，用于指導(dǎo)新的設(shè)計(jì)。藝術(shù)品文物復(fù)制，博物館藏品、古建筑的數(shù)字化應(yīng)用(7）36影視動(dòng)畫(huà)角色、場(chǎng)景、道具等三維虛擬物體的設(shè)計(jì)和創(chuàng)作制造應(yīng)用(8）動(dòng)漫&游戲?qū)⑺囆g(shù)家的概念模型做成三維數(shù)據(jù)模型，以用于電腦游戲和電影動(dòng)畫(huà)的制作．37

逆向工程是將實(shí)物樣件或手工模型轉(zhuǎn)化為數(shù)模，包含了數(shù)據(jù)掃描、數(shù)據(jù)處理與數(shù)模重構(gòu)、模型制造幾個(gè)階段。逆向工程技術(shù)應(yīng)用的重大意義在于：逆向工程不是簡(jiǎn)單地把原有物體還原，它還要在還原的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次創(chuàng)新。逆向工程作為一種新的創(chuàng)新技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，并取得了重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。小結(jié)38思考題思考題1-1何謂逆向工程？與傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)相比有何區(qū)別聯(lián)系？1-2簡(jiǎn)述逆向工程的主要技術(shù)工作流程和應(yīng)用意義。課外任務(wù)1-3上網(wǎng)查閱相關(guān)資料，以某一產(chǎn)品開(kāi)發(fā)為例，闡述逆向設(shè)計(jì)的流程，并完成項(xiàng)目報(bào)告。三維數(shù)據(jù)掃描項(xiàng)目二了解逆向工程數(shù)據(jù)掃描系統(tǒng)的分類及相應(yīng)的測(cè)量原理，掌握接觸式測(cè)量與非接觸式測(cè)量的不同技術(shù)特點(diǎn)。通過(guò)三個(gè)不同的數(shù)據(jù)掃描案例，了解三維數(shù)據(jù)掃描的流程及方法。能力目標(biāo)知識(shí)要點(diǎn)了解逆向工程數(shù)據(jù)掃描方法及種類數(shù)據(jù)掃描方法及分類掌握接觸式測(cè)量與非接觸測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)接觸式測(cè)量和非接觸測(cè)量了解數(shù)據(jù)掃描的流程掃描前處理、掃描規(guī)劃、掃描了解掃描儀使用的基本方法及技巧三種非接觸光學(xué)掃描設(shè)備基本操作學(xué)習(xí)目標(biāo)主要內(nèi)容任務(wù)一了解三維數(shù)據(jù)掃描任務(wù)二儲(chǔ)蓄罐外形測(cè)量任務(wù)三車(chē)燈燈罩外形測(cè)量任務(wù)四風(fēng)扇外形測(cè)量表面數(shù)據(jù)測(cè)量非接觸式接觸式光學(xué)式非光學(xué)式觸發(fā)式機(jī)械手臂三角形法結(jié)構(gòu)光法激光干涉法計(jì)算機(jī)視圖法

CT測(cè)量法MRI測(cè)量法層切法超聲波法一、數(shù)據(jù)獲取方法的分類任務(wù)一了解三維數(shù)據(jù)掃描接觸測(cè)量，點(diǎn)測(cè)量精度幾個(gè)μm測(cè)量速度慢二、接觸式數(shù)據(jù)掃描——三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)CMM

接觸式測(cè)量特點(diǎn)測(cè)量精度高與被測(cè)物體表面的顏色、外形無(wú)關(guān)，對(duì)光強(qiáng)無(wú)要求可直接測(cè)量特征尺寸測(cè)量速度慢適用于硬質(zhì)表面，軟質(zhì)表面易變形球頭半徑補(bǔ)償測(cè)量時(shí)需要固定和定位基準(zhǔn)非接觸測(cè)量，線測(cè)量精度幾十個(gè)μm測(cè)量速度較快三、非接觸式光學(xué)掃描——激光掃描測(cè)量三、非接觸式光學(xué)掃描——結(jié)構(gòu)光掃描測(cè)量采用的照相式三維掃描技術(shù)。利用相位和立體視覺(jué)技術(shù)的結(jié)合，在物體表面投射光柵。利用相位和外極線實(shí)現(xiàn)兩幅圖像上的點(diǎn)的匹配，利用定標(biāo)了的攝像機(jī)系統(tǒng)，計(jì)算點(diǎn)在三維空間坐標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)物體表面三維輪廓的測(cè)量。以德國(guó)Gom公司為代表的Atos三維光學(xué)掃描儀是基于雙目式光柵投影測(cè)量技術(shù)的設(shè)備。國(guó)外稱為whitelightscanner,白光3D掃描儀非接觸掃描儀—結(jié)構(gòu)光三維掃描儀

（北京天遠(yuǎn)上海數(shù)造機(jī)電蘇州西博）北京天遠(yuǎn)OKIO-I/II/V3DSSLED白光掃描儀3DSS藍(lán)光掃描儀XTOM型三維光學(xué)面掃描儀

三、非接觸式光學(xué)掃描——特點(diǎn)

(1)測(cè)量速度快，不必逐點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量面積大，數(shù)據(jù)較為完整。

(2)可以直接測(cè)量材質(zhì)較軟以及不適合直接接觸測(cè)量的物體，如橡膠、紙制品、工藝品、文物等。（3）須進(jìn)行測(cè)頭半徑補(bǔ)償。

(4）對(duì)零件表面的反光程度、顏色等有較高要求，工件表面的明暗程度會(huì)影響測(cè)量的精度。

(5)測(cè)量精度一般，特別是相對(duì)于接觸式測(cè)頭測(cè)量數(shù)據(jù)而言。

(6)對(duì)于一些細(xì)節(jié)位置，如邊界、縫隙、曲率變化較大的曲面容易丟失數(shù)據(jù)。

(7)陡峭面不易測(cè)量，激光無(wú)法照射到的地方便無(wú)法測(cè)量。三、非接觸式非光學(xué)掃描——斷層掃描可以測(cè)量物體表面、內(nèi)部和隱藏結(jié)構(gòu)特征

破壞性測(cè)量——層去掃描法非破壞性測(cè)量——CT測(cè)量法——MRI測(cè)量法

——超聲波測(cè)量法結(jié)構(gòu)光、激光掃描儀和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)比較

結(jié)構(gòu)光（白光）激光掃描儀三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)系統(tǒng)體積小一般大系統(tǒng)重量輕、方便移動(dòng)一般、可移動(dòng)重、不可移動(dòng)掃描方式面點(diǎn)、線點(diǎn)測(cè)量精度高較高高測(cè)量范圍大一般小測(cè)量時(shí)間小于5秒10分鐘--數(shù)小時(shí)數(shù)小時(shí)--數(shù)天安裝設(shè)置簡(jiǎn)單一般需調(diào)試維護(hù)難度容易一般難、嚴(yán)格工作環(huán)境不嚴(yán)格一般嚴(yán)格適用范圍所有物體廠家不同而不同硬物體的測(cè)量掃描精度應(yīng)滿足實(shí)際的需要；掃描速度快，盡量減少測(cè)量在整個(gè)逆向過(guò)程中所占有的時(shí)間；數(shù)據(jù)掃描要完整，以減少數(shù)模重構(gòu)由于數(shù)據(jù)缺失帶來(lái)的誤差；數(shù)據(jù)掃描過(guò)程中不能破壞原型；降低數(shù)據(jù)掃描成本。數(shù)據(jù)掃描滿足以下要求：對(duì)自由曲面形狀物體的數(shù)據(jù)掃描一般用非接觸光學(xué)測(cè)量的方法，對(duì)規(guī)則形狀物體的數(shù)據(jù)掃描一般用接觸式測(cè)量。非接觸光學(xué)掃描的前處理

表面處理

（1）噴亞光漆、白色顯像劑：黑色銹蝕表面、透明表面、反光面（2）清洗：工件表面的灰塵、鐵屑等更會(huì)帶來(lái)測(cè)量數(shù)據(jù)的噪聲，造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)不佳。

非接觸光學(xué)掃描的前處理

貼標(biāo)記點(diǎn)或標(biāo)識(shí)點(diǎn)

(1)對(duì)于一些大型物體（比如汽車(chē)覆蓋件），或者需要多幅測(cè)量進(jìn)行拼接時(shí)，需要根據(jù)視角在物體的表面貼上一些標(biāo)記點(diǎn)。

(2)標(biāo)記點(diǎn)用來(lái)協(xié)助坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的，是多視覺(jué)注冊(cè)拼合的特征點(diǎn)。(3)標(biāo)記點(diǎn)可以是掃描物體本身的特征點(diǎn)、可以用筆畫(huà)在紙上的標(biāo)記、或用橡皮泥捏成的標(biāo)記點(diǎn)。如果自動(dòng)拼合，標(biāo)記點(diǎn)是一個(gè)個(gè)黑白的專用標(biāo)記點(diǎn)掃描規(guī)劃精確掃描——對(duì)曲率變化大的地方數(shù)據(jù)盡量采集完整；高效掃描——數(shù)據(jù)掃描的次數(shù)少、數(shù)據(jù)量盡量小、縮短掃描時(shí)間。任務(wù)二儲(chǔ)蓄罐外形測(cè)量任務(wù)分析

儲(chǔ)蓄罐造型為一卡通龍形狀，細(xì)節(jié)特征多且不規(guī)則，較好的掃描方法應(yīng)選非接觸式的，儲(chǔ)蓄罐造型只需處理外形數(shù)據(jù)后抽殼即可。柯尼卡美能達(dá)三維掃描儀VIVID９10i

ＲＡＮＧＥ7VIVID９10

儲(chǔ)蓄罐形如卡通龍，在表面有足夠明顯的細(xì)節(jié)特征，這些特征作為多視覺(jué)數(shù)據(jù)掃描拼合時(shí)的標(biāo)記點(diǎn)已足夠，所以不需再加標(biāo)記點(diǎn)。但表面金色反光，所以噴上白色的顯像劑。儲(chǔ)蓄罐掃描前處理按圖所示的姿態(tài)，從上往下掃描時(shí)，脖子里及招財(cái)牌子下面的數(shù)據(jù)都掃不到，先掃一圈，然后再倒過(guò)或橫過(guò)來(lái)掃描脖子和牌子下面的數(shù)據(jù)，最后再掃描頭頂和腳底。在掃描頭頂和腳底時(shí)，要把側(cè)面的特征也帶上，便于數(shù)據(jù)的拼合。儲(chǔ)蓄罐掃描規(guī)劃任務(wù)三車(chē)燈外形測(cè)量任務(wù)分析車(chē)燈燈罩形狀，由幾個(gè)大的流線曲面組成，且內(nèi)外特征不同，需要掃描內(nèi)、外兩面，細(xì)節(jié)過(guò)渡特征不明顯，最好能夠自動(dòng)拼接，為此通過(guò)貼專用的標(biāo)記點(diǎn)，自動(dòng)拼合。

優(yōu)勢(shì)：連續(xù)掃描、自動(dòng)拼接，實(shí)時(shí)渲染、操作簡(jiǎn)單，小巧玲瓏、便于攜帶（0.98KG)技術(shù)參數(shù)重量

0.98kg(2.1磅)尺寸

160x260x210mm(6.2x10.2x8.2英寸)測(cè)量速度

18,000點(diǎn)/秒激光等級(jí)II(眼睛安全)XY軸精度高達(dá)0.05mm(高達(dá)0.002英寸)Z軸精度

0.1mm(0.004英寸)數(shù)據(jù)接口

Firewire電源接口

Firewire車(chē)燈掃描前處理1）表面銀色反光，所以噴上白色的顯像劑。2）自動(dòng)拼合，所以需要在貼專用的標(biāo)記點(diǎn)貼標(biāo)記點(diǎn)合適的標(biāo)記