讲座--数字化工程

•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page1数字化工程:设计、制造和检测高健教授机电学院14April.2005•Page2数字化工程定义:•数字化工程一般是指在国家经济各个领域，应用数字化技术实施领域上、中、下游作业的数字化运作，所需各种措施的集合。•数字化工程又是一门工程学科，涉及领域数字化需求、领域数字化系统设计、建造、管理、运作、应用、评估、改进等方面的基础和应用基础研究、和领域数字化人才的培养和应用等。•数字化工程是推动国家经济各个领域技术进步，建立现代化国家经济的技术基础和产生先进技术的源泉之一。•Page3数字化技术•数字化技术指的是运用0和1两位数字编码，通过电子计算机、光缆、通信卫星等设备来表达、传输和处理所有信息的技术。•数字化技术一般包括数字编码、数字压缩、数字传输、数字调制与解调等技术。•数字化技术是信息技术的核心，信息的媒体有多种，如字符、声音、语言和图像等。•Page4信息数字化技术----实际上是由一群高技术综合发展而实现的。•信息数字化技术涉及到数字的转换（表达）、存取、处理、传输、控制等一系列高技术。例如，–提高信息存取能力的微电子技术；–提高信息传输能力的光纤技术，–提高信息变换能力的光电技术；–提高信息转换和控制能力的计算机及其软件技术等等。•Page5数字化技术优势•数字化技术作为一种通用信息工程技术，具有的技术优势:•这些重大技术优势给各个领域专业技术的改造、革新提供了崭新的手段。–信噪比高–传递可靠迅速–便于存储、提取和集成–联网–分辩率高–表述精度高–可编程处理–处理迅速•Page6数字化制造技术•数字化技术和各种专业技术相融合就形成了各种数字化专业技术，如•数字化制造技术、•数字化设计技术、•数字化视听技术等。•相对传统制造技术，数字化制造技术是一项融合数字化技术和制造技术，且以制造工程科学为理论基础的重大的制造技术革新，是先进制造技术的核心，有广阔的应用前景。•Page7数字化是制造技术创新的手段•人类在20世纪取得了令人瞩目的制造技术成果，其中数控（NC）加工技术与生长型制造技术（或称可控添加材料制造，RPM）是两项突破性创新成果。•面对21世纪，制造技术同样受到可持续发展策略、知识经济、信息化数字化技术的驱动，并将以新的面貌出现在世人面前，也迫使制造技术人员思考制造技术创新研究问题和创新策略：•可持续发展是制造创新的动力与空间，•知识化是创新的资源，•数字化是创新的手段，•可视化是创新的虚拟检验。•Page8数字制造的核心是产品数字模型----只有建立了适应产品全生命周期的产品数字模型，并在数字制造的每一个环节都能够采用该模型进行数字设计、数字加工、数字装配、数字检测、数字维修和数字回收等，才能实现真正的数字制造。•Page9数字化测量技术•接触式测量方式–CMM(CoordinateMeasuringMachine)–层析法•非接触式测量方式–Laser–Optical–CT(ComputerTomography)–X-Ray----获取产品数字模型的手段之一•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page10坐标测量机CMM•坐标测量机是一种大型精密的三坐标测量仪器，可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行测量。•一般采用触发式接触测量头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值。•主要优点是测量精度高，适应性强，但一般接触式测头测量效率低，而且对一些软质表面无法进行测量。•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page11CMMmachine•MachinesincludeBrown&Sharpe,CarlZeiss,ITP•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page12Machinesinclude:Faro,Romer,Microscribe,StingerCMMArm•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page13Laserscanner:Kreon,Roland,Renishaw,Nextec,OptonCMM+Laser•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page14层析法•层析法是将研究的零件原形填充后，采用逐层铣削和逐层光扫描相结合的方法获取零件原形不同位置截面的内外轮廓数据，并将其组合起来获得零件的三维数据。•层析法的优点在于任意形状，任意结构零件的内外轮廓进行测量，但测量方式是破坏性的。•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page15非接触式测量方法（1）•基于光学三角型原理的激光扫描法(Laserscanner)–这种测量方法根据光学三角型测量原理，以激光作为光源，其结构模式可以分为光点、单线条、多光条等，将其投射到被测物体表面，并采用光电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根据光点或光条在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系计算物体的深度信息。•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page16•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page17LaserScanner•Machinesinclude3DScanners,Polhemus,Minolta,Perceptron,ScanTechnology•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page18非接触式测量方法（2）•基于相位偏移测量原理的莫尔条纹法(OpticalScanner)–这种测量方法将光栅条纹投射到被测物体表面，光栅条纹受物体表面形状的调制，其条纹间的相位关系会发生变化，用数字图像处理的方法解析出光栅条纹图像的相位变化量来获取被测物体表面的三维信息。•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page19•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page20OpticalScannersBreuckmannGomAtosII•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page21非接触式测量方法（3）•基于工业CT断层扫描图像法–这种测量方法对被测物体进行断层截面扫描,以X射线的衰减系数为依据，经处理重建断层截面图像，根据不同位置的断层图像可建立物体的三维信息。–该方法可以对被测物体内部的结构和形状进行无损测量。–该方法造价高，测量系统的空间分辨率低，获取数据时间长，设备体积大。•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page22非接触式测量方法（4）•立体视觉测量方法–根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个（多个）摄象机拍摄的图像中的视差，以及摄象机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。–立体视觉测量方法可以对处于两个（多个）摄象机共同视野内的目标特征点进行测量，而无须伺服机构等扫描装置。–立体视觉测量面临的最大困难是空间特征点在多幅数字图象中提取与匹配的精度与准确性等问题。•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page23非接触式测量方法（5）•X-Ray–Providesuniqueinsightsintotheinternalstructureofthetestobject.•Usedfor–differencesofdensity,–changeofmaterialor–materialfaultssuchaspores,cracks,inclusionsordelaminations•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page24数字模型的应用•QualityControl(QC)•ReverseEngineering(RE)•RapidPrototyping(RP)andMilling(RM)•3DVisualization•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page25质量控制(QC)•CAV(ComputerAidedVerification)ofaMobilePhoneHousing•ToolandMoldmaking–capturetheactualcontourofamold–compensateshrinkagefromwrongmolds–compensatespringbackofthosepartsproductionprocessandremovalfromthemold.–compensatethemoldsinproductionaresubjecttoabrasion.(模具加工过程中的磨损)•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page26•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page27•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page28CMM-basedInspection•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page29•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page30•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page31•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page32•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page33ToolandMoldmakingVolkswagenAG•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page34车的边门•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page35•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page36•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page37•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page38反求工程（RE）•在现代机械制造领域中，反求技术是针对现有三维实物（样品或模型），在没有技术文档的情况下，利用三维数字化测量设备准确、快速测得轮廓的几何数据，并加以建构、编辑、修改生成通用输出格式的数字化模型，再送入通用CAD/CAM系统中，作进一步的处理，从而生成NC加工路径或RP所需的模型截面轮廓数，最后复制出实物或其原型的过程。•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page39基于反求工程的产品设计与开发CAD模型重建(曲面重构)数字化测量实物/样件凹凸模NC代码STL文件快速原型产品/模具反求工程软件:Polyworks,Imageware,Surfacer,Geomagic,Catia,freeform,Rapidform,以创新为目的的再设计CAE分析•14.April.2005,PublicLecture—byGaoJian•Page40RE的广泛应用•CharlesBridgesculptures.•StateinstitutefortheCareofHistoricalMonumentsinPraguewiththesupportoftheCzechMinistryofCulturebeganalong-termproject,monitoringtheCharlesBridgesculptures,in1999.•TheCharlesBr