逆向工程技术概述

1关于课程2.本课程的研究对象及内容：研究对象：实物、样件、软件或影像作。研究内容：1）逆向工程数据测量与处理2)三维CAD模型重构（UG软件）3）快速成型技术（快速成型数据处理、快速成型制造的典型工艺、后处理）3.学习目的:•为模具产品的创新设计打下良好基础•为现有模具设计与制造的合理使用和革新改造打基础.•为将来的就业打基础.•培养综合考虑问题的能力.4.学习方法:1)每个人的基础不同,所以学习方法不一样,但有一点是相同的就是:兴趣。对该门课程感兴趣,才有动力去学习.2)本门课程注重实践,多观察、分析与思考,是一门实训做一体化课程,所以要求多做多练习.3).善于发现事物的共性、个性.5.本课程的学习要求（考核方式）•本课程考核采取形成性考核+期末考试两种方式，两部分的比例为：课程考核成绩=形成性考核成绩（50%）+期末考（50%）•本课程的形成性考核选择平时表现考核、平时作业考核、实训考核成绩3种类型进行，3种类型的分数比例为：形成性考核成绩=平时表现考核成绩（30%）+平时作业考核成绩（30%）+实训考核成绩（40%）二、逆向工程的定义：1.逆向工程的发展历史：从20世纪60年代的“如何做的更多”、70年代的“如何做的更便宜”、80年代的“如何做的更好”、发展到90年代的“如何做的更快”。因此，市场要求技术革新，逆向工程技术在20世纪90年代开始引起各国工业界和学术界的重视，到目前只有十多年的历史。所以可称之为“新技术”。2.逆向工程的设计：A.传统的正向产品造型设计，一般是对市场进行调研并确定了大量需求信息后，由设计人员分析、构思产品模型的概念，草绘出产品零件平面图，进行必要的设计计算与校核，形成产品稍完整的设计方案后，即着手完成三维简约几何造型，再根据需要绘制效果图、三视图或试做简易的实物模型。B.逆向工程则是从产品原型出发，进而获取产品的三维数字模型，使得能够进一步利用CAD/CAE/CAM以及CIMS等先进技术对其进行处理。它的设计流程如下图所示，与传统正向设计的不同之处在于设计的起点不同，相应的设计自由度和设计要求也不相同。传统的产品设计：概念设计图样产品。逆向产品设计：产品图样产品。3.逆向工程概念：1）.逆向工程（ReverseEngineening,RE），也称为反求工程，反向工程。广义的逆向工程包括：几何形状逆向、工艺逆向、材料逆向等是一个复杂的系统工程。本课程的研究的是几何形状逆向，即重建产品实物的CAD模型和最终产品的制造方面，又称为“实物逆向工程”。狭义逆向工程：是将实物转化为CAD模型的相关数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。举例：汽车仪表盘逆向设计开发过程2）专业术语：计算机辅助设计（ComputerAidedDesign,CAD)计算机辅助制造（ComputerAidedManufactucturing,CAM）计算机辅助工程（ComputerAidedEngineering，CAE）计算机辅助工艺过程设计（computeraidedprocessplanning,CAPP）快速成型制造（RapidPrototypeManufacturing,RPM）快速模具（Rapidtooling,RT）产品数据管理（ProductDataMangement,PDM）计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSistem,CIMS）三、逆向工程的工作流程逆向工程的一般过程可分为：（见图1-3）样件三维数据测量数据处理CAD三维模型重构模型制造。1.数据测量：是逆向工程的第一步，是后续工作的基础。数据测量的设备：三坐标测量机（CMM）、激光三维扫描、结构光测量，光栅照相式三维扫描仪、CT扫描仪等。就测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种，其中，接触式测头又可分为硬测头和软测头两种，这种测头与被测头物体直接接触，获取数据信息。非接触式测头则是应用光学及激光的原理进行的。（将在第二章详细讲解）实训室使用的：是西安交大生产的面结构光投影照相式三维扫描仪。2.数据处理：通过三坐标测量机得到的点数据，存在着噪声和误差等，需要将点数据进行格式转化，噪声滤除、平滑、对齐、合并、插值补点，数据精简，数据分割等一系列的数据处理。3.三维模型重构（第三章详解）1）模型重构是对上一步骤处理的数据利用逆向工程软件进行曲面拟合，让然后通过点线面的求交，拼接，匹配，连接成光滑曲面，从而活得产品模型的一个过程，是逆向工程中最重要和最复杂的一个阶段。2）专用逆向工程软件简介：（1）Imageware由美国EDS公司出品，是最著名的逆向工程软件，正被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能，具有良好的品质和曲面连续性。（2）Geomagic由美国Raindrop(雨滴)公司出品的逆向工程和三维检测软件。GeomagicStudio可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面。该软件也是除了Imageware以外应用最为广泛的逆向工程软件。（3）CopyCAD是由英国DELCAM公司出品的功能强大的逆向工程系统软件，它能允许从已存在的零件或实体模型中产生三维CAD模型。该软件为来自数字化数据的CAD曲面的产生提供了复杂的工具。CopyCAD能够接受来自坐标测量机床的数据，同时跟踪机床和激光扫描器。（4）RapidForm是韩国INUS公司出品的全球四大逆向工程软件之一，RapidForm提供了新一代运算模式，可实时将点云数据运算出无接缝的多边形曲面，使它成为三维扫描后处理之最佳化的接口。RapidForm主要优势包括：多点云数据管理介面、多点云处理技术、快速点云转换成多边形曲面的计算法、彩色点云数据处理及点云合并功能。4.快速成型制造是逆向工程的最后一个步骤，是制造业的技术革新，快速成型技术的工艺方法有很多，其中常见的是：光固化成型（SLA），选择性激光烧结（SLS）,分层实体制造（LOM），熔融沉积制造（FDM）等。•SLA技术又称光固化快速成形技术，其原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层（约十分之几毫米）产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。工作台下移一个层厚的距离，以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，进行下一层的扫描加工，如此反复，直到整个原型制造完毕。由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用，故在工作时只需功率较低的激光源。此外，因为没有热扩散，加上链式反应能够很好地控制，能保证聚合反应不发生在激光点之外，因而加工精度高，表面质量好，原材料的利用率接近100%，能制造形状复杂、精细的零件，效率高。对于尺寸较大的零件，则可采用先分块成形然后粘接的方法进行制作。•美国、日本、德国、比利时等都投入了大量的人力、物力研究该技术，并不断有新产品问世。我国西安交通大学也研制成功了立体光造型机LPS600A。目前，全世界有10多家工厂生产该产品。四、逆向工程系统的组成逆向工程是一个系统工程，它在工程分析的基础上，数控加工出产品模具，最后制成产品。实现产品或模型→设计→产品的整个生产流程。包含的系统软硬件有：1.测量机与测量探头2.（CAD）模型重构软件3.CAE软件4.CNC加工设备5.快速成型机6.产品制造设备五、逆向工程的应用随着制造业的发展逆向工程应用场合越来越多：1）对产品外形的美学有特别要求的领域。2）对设计需要通过测试实验才能定型生产的模型。3）有产品，没有产品的设计图样或设计图样不完整，没有CAD模型的情况下，可使用逆向技术复制一个相同零件。4）应用在模具行业。（应用在经常需要反复修改原始设计的模具型面）5）用在一些艺术产品领域。6）应用在新产品开发和创新设计上。7）应用在破损的文物、艺术品的修复上。8）特种服装、头盔的制造需要使用者的身体作为原始设计依据。9）从已有产品零件直接快速生成STL模型，用于快速成型（RP）或模具设计，等等。•模具样品开发：汽机车类、家电制品、运动器材、玩具、陶瓷等。•快速原型制作：古董、人像、艺术品、卡通人物、玩具等。•人体形状测量：人体外形测量、医疗器材制作等。•造型设计：立体动画、多媒体虚拟实景、广告动画等。六、逆向工程与产品创新1.创新设计的定义：是指设计者利用已有的相关科学技术成果进行创新构思，设计出具有科学性、创造性、新颖性及实用性产品的一种实践活动。2.创新设计的基本特征：新颖性与创造性。3.创新设计的类型是：原创型与基于原型的创新设计。4.创新设计的方法：组合、类比、转化等。5.逆向与创新的联系：在设计制造领域大约70%的技术都来自于逆向工程，逆向工程所追求的不是简单的仿制，而是提高和创造，到创新。把逆向工程从简单仿制的代名词变成创新设计的基础。面向创新设计的逆向工程是一个“认识原型——再现原型——超越原型”的过程。七、逆向工程技术存在的问题及展望（一）问题：1.技术方面：1）测量技术存在误差和遗漏。2）复杂曲面重构技术不成熟3）曲面光顺和模型评价4）CAD软件不够完善5）集成系统不够成熟。2.工具方面：逆向工程设备包括软硬件，因为是新技术，设备的成本非常昂贵，多数企业只能选配一种方式的设备和软件，每种设备和软件都有本身的优缺点，使技术的通用性受到一定的限制。3.技术人员方面逆向工程技术是一项专业性很强的工作，每个环节需要经验丰富的工程师，因为逆向工程技术发展历史比较短，缺乏逆向工程技术人员。（二）、逆向工程主要发展方面:(1)数据测量方面:发展面向逆向工程的专用测量设备，能够高速、高精度的实现产品几何形状的三维数字化，并能进行自动测量和规划路径;(2)数据的处理方面:针对不同种类的测量数据，开发研究一种通用的数据处理软件，完善改进目前的数据处理算法;(3)曲面拟合:能够控制曲面的光顺性和能够进行光滑拼接;(4)集成技术:发展包括测量技术、模型重建技术、基于网络的协同设计和数字化制造技术等的逆向工程技术。八、小结：1.本课程的简介2.逆向工程的定义3.逆向工程的系统组成4.逆向工程的应用5.逆向工程与创新设计6.逆向工程的发展方向