09逆向工程与快速成形技术

逆向工程与快速成形技术9.1逆向工程逆向工程的出现和发展20世纪60年代，日本为了恢复和振兴经济，提出科技兴国和大力发展制造业的方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，并对机床、汽车、电子、光学设备和家电等行业的发展给予优惠政策。日本政府和企业普遍认为对别国先进产品和先进技术的引进、消化、吸收、改进和挖潜，是自身发展的一条捷径。观点很快被事实验证，由此引发了逆向设计（ReverseDesign）的概念。明确提出逆向工程（ReverseEngineering）这个术语并作为一门学问和实用技术进行系统研究则是近30年的事情。20世纪80年代初分别由美国3M公司、日本名古屋工业研究所以及美国UVP公司提出。逆向工程发展至今，已经成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段和重要策略之一。据统计，各国70%以上的技术源于国外，逆向工程作为掌握、改进和发展技术的一种手段，可使产品研制周期缩短40%以上，从而极大地提高了生产率。逆向工程的实际应用为许多企业的发展带来了生机，进而为创新设计和各种新产品开发奠定了良好基础。逆向工程(ReverseEngineering）以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有产品进行解剖、深化和再创造，这就是逆向工程的含义。可以说，逆向设计是对已有设计的再设计，其中再创造是逆向设计的灵魂。在实际操作中，用一定的测量手段对实物或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程，是一个从样品生成产品数字化信息模型，并在此基础上进行产品设计开发及生产的全过程。人们通称的设计，一般指正设计，它是一个从无到有的产品设计过程。设计人员首先根据市场需求，提出目标和技术要求，进行功能设计，创造新的方案，经过一系列的设计活动变为产品。概括的说，正设计是由未知到已知、由想象到现实的过程：市场需求分析功能分析设计人员创造性活动产品逆向设计是从已知事物的有关信息（包括硬件、软件、照片、广告、情报等）去寻求这些信息的科学性、技术性、先进性、经济性、合理性和改进的可能性等。要回溯这些信息的科学依据，即充分消化和吸收，进而在此基础上进行改进、挖潜和再创造。已知一个确定的事情（产品、照片或资料）通过消化、吸收进行再创造具有市场竞争力的新产品（1）没有设计资料或设计资料不完整；（2）当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时。（3）在美学设计特别重要的领域；（4）修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等逆向工程的应用背景没有设计图纸或设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，在对零件原型进行测量得到零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据利用快速成型复制出相同的零件。设计飞机机翼，为了满足空气动力学的要求，首先要求在初始设计模型上进行各种性能试验建立符合要求的产品模型，最终的实验模型将成为制造这类零件的依据。从工程技术角度看，逆向对象可概括为三类：实物逆向软件逆向影像逆向逆向对象类别实物逆向以产品实物为依据，对产品的设计原理、结构、材料、精度、制造工艺、包装、使用等方面进行分析研究和再创造，最终研制出与原型产品相近或更佳的新产品。实物逆向的对象可以是整个产品，也可以是部件、组件或零件。逆向的内容则包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质、精度、使用规范等众多方面的逆向。实物逆向原型实物性能测试功能原理分析分解绘制草图部件、总装简图部件、总装图审核工艺分析绘制零件图测量并确定尺寸及公差评价逆向产品方案，技术设计及评价产品试制试验与反馈新产品设计思想逆向材料、技术条件逆向校对、审核、工艺审查、标准化审查装配图审查实物逆向有两项基本工作，即逆向分析与逆向设计。其一般过程如图所示。在实物逆向中，试验、测绘和逆向设计是重要工作，需要精心设计和仔细进行。1.试验方案和试验方法2.测绘3.逆向设计试验方案和试验方法在实物未解体前对其功能、性能等进行全面试验考核，测试其可行功能和性能指标。为此，应充分考虑以下各点：①根据样本、使用说明书，摸清有哪些功能指标；②根据试验要求，制定试验条件和试验规范，并选择合适的试验台及相应测试仪器仪表；③对试验结果数据进行科学处理；④若试验中出现故障，进行详细记录和深入分析，为排除故障或改进设计提供依据。测绘测绘中应注意以下问题：①尺寸、精度一般产品出厂前要经磨合试验和性能试验。试验后零件的尺寸、形状、边面状态等会有变化，要逆向其原始状态（装配前的状态）。②无损检测对样机的零件测绘一般不允许有损伤，因此应尽量使用无损检测方法，如用激光技术、光谱技术、三维全息照相显示技术等。③原型数字化对于具有复杂曲面的实物，一般需利用三维测量和CAD技术进行逆向。其测量过程主要解决的问题是零件原型的数字化。目前，通常采用三坐标测量机（CMM）或激光扫描等测量装置来获取零件原型表面点的三维坐标值。逆向设计逆向设计指测绘后对关键问题的分析和反设计问题。测绘完以后要将被测对象变成完整图纸或模型，还需根据对零件工作特性的分析（必要时需要通过试验测试）进行各种标注和提出技术要求。对于特殊形状的曲线应通过优化设计逆向其科学依据。对于箱体等结构复杂件应采用有限元法去逆向其强度和刚度等。逆向设计中重建具有复杂曲面零件原型的CAD模型是一件困难的工作。首先，需要从测量数据中提取零件原型的几何特征，即按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原型所具有的设计与加工特征。然后，将分割后的三维数据在CAD系统中进行表面模型拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原型表面的CAD模型。对于重建的CAD模型还需要进行检验与修正，即根据获得的CAD模型重新加工出样品，以检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标。对不满足要求者，重复以上过程，直至达到零件的设计要求。逆向工程的关键技术逆向工程中的测量技术接触式测量方法非接触式测量方法产品建模技术测量数据的分割表面片的拟合技术快速成形技术逆向工程实物扫描点云CAD实体建模质量检测新构思加工中心RPM逆向工程软件：Imageware、Raindrop、GeomagicStudio、Paraform、ICEMSurf、CopyCAD等CAD/CAM系统类似模块，UG—Unigrahics、ProE—Pro/SCAM、Cimatron90—PointCloud等接触式三坐标测量仪非触式三坐标测量仪工业CT测量机20点云数据的获取1.点云数据的获取是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据。根据测量探头或传感器是否和实物接触，可分为接触式和非接触式两类。１.１接触式测量方法三坐标测量机是广泛采用的接触式测量设备，作为一种大型精密的测量仪器，它开始是用于制造产品的检测，可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行测量。在逆向工程应用上面，三坐标测量及也可以作为数据采集的主要手段，具有测量精度高、适应性强的优点，缺点是测量效率低，对一些软质表面无法进行测量。21点云数据的获取１.２非接触式测量法非接触式测量根据测量原理不同，有光学测量、超声波测量、电磁测量等方式。在这里简单介绍光学三角原理测量法中的激光扫描。手持式激光扫描仪点云数据的获取测量设备（关节臂、三坐标测量机）应用实例数据导入多个数据的合并，只要多次打开就可以将数据合并在一起应用实例数据显示（display）如果后面多边形方式选择项是灰色的，代表点云没有多边形计算应用实例数据优化处理（删除、过滤）应用实例点云编辑（对齐）截取所需要的一个平面，并由点云拟合出平面，作为对齐的参考元素应用实例点云编辑（对齐）所要对齐的平面，一般为XY、XZ、YZ等平面拟合平面应用实例点云编辑（对齐）用最佳拟合功能，把拟合平面对齐到所需要的平面上应用实例点云编辑（对齐）对齐之前对齐之后应用实例构造曲线由点云截取轮廓线点云，并构造成曲线应用实例构造曲面改变起始点，由曲线购造成LOFT面应用实例构造曲面着色后着色前应用实例构造曲面由点云补中间的那个孔，并与周围的曲面的曲率保持连续应用实例构造曲面中间孔补齐后的完整效果应用实例构造帽檐曲面由点云构造帽檐部分的曲面应用实例构造帽檐曲面帽檐部分和圆帽部分一般需要经过倒角处理应用实例曲面光顺性检查应用实例通过控制点手动调节曲面红色部分指构造曲面与点云误差较大，通过控制点可以手动调节，直到满意为止9.2快速成形技术1.快速成形技术概述在制造业中各种零件的制造工艺按加工后原材料体积的变化分为：•去除成形（DislodgeForming）——传统的的车、铣、刨、磨等工艺方法就属于去除成性，它是制造业最主要的零件成型方式。•受迫成形（ForcedForming）——按其加工材料的自然状态又分为固态成形法（锻造、冲剪、挤压、拉拔等）、液态成形法（铸造）和半液态成形法（注塑）。•添加成形（AdditiveForming）——八十年代初一种全新的制造概念。通过添加材料来达到零件设计要求的成形方法，这种新型的零件生产工艺就是RP（快速成形）的主要实现手段。•生长成形（GrowthForming）1.1.零件成形方法分类1.快速成形技术概述•快速成型(RapidPrototyping)是上世纪80年代末及90年代初发展起来的高新制造技术，是由三维CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。•由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。1.1.快速成形技术概念1.快速成形技术概述•与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段相结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车、机械、电子、电器、医学、建筑、玩具、工艺品等很多领域得到了广泛应用。1.1.快速成形技术概念1.快速成形技术概述快速成形的工艺过程一般包括以下几个步骤：•（1）产品三维建模•（2）三维模型的近似处理•（3）三维模型的分层切片和生产加工路径•（4）成型加工•（5）成形零件的后处理1.2.快速成形技术过程1.快速成形技术概述快速成形的技术特点：•（1）简易性•（2）快速性•（3）高度柔性•（4）技术的高度集成性•（5）应用领域广泛1.2.快速成形技术特点2.快速成形工艺按照成形原理的不同，快速成形技术可分为两大类：2.1.快速成形工艺方法按成形原理RP技术分类基于激光及其他光源的成形技术基于喷射的成形技术立体光刻技术SL分层实体制造技术LOM选区激光烧结技术SLS熔融沉积成形技术FDM三维立体印刷技术3DP多相喷射沉积技术MJD……2.快速成形工艺按照成形材料的不同，快速成形技术可分为：2.1.快速成形工艺方法按成形材料RP技术分类液体材料粉状材料片状材料液体树脂固化熔融材料固化激光熔合材料粘接剂粘结材料粘性片材的粘结UV粘接片状材料SL…FDM…SLS…3DP…LOM…实体薄片成型SFP…2.快速成形工艺2.2.1.SL工艺原理•立体光刻成形(Stereo-Lithography，SL)是目前最为成熟和广泛应用的一种快速成型制造工艺（如图2）。2.2.立体光刻成形2.快速成形工艺2.2.1.SL工艺原理•这种工艺以液态光敏树脂为原材料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合(固化)反应，从而形成零件的一个薄层截面。完成一个扫描区域的液态光敏树脂固化层后，工作台下降一个层厚，使固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂然后重复扫描、固化，新固化的一层牢固地粘接在一层上，如此反复直至完成整个零件的固化成型。2.2.立体光刻成形2.快速成形工艺2.2.2.SL工艺过程•SL成形工艺过程总体包括4个过程，如下