《快速原型制造技术实验指导书》

实验实践环节一：三维测量操作•采用FARO（关节臂）+KREON（激光扫描仪）系统进行三维测量。•操作过程：–1．准备并摆好工件–2．安装好扫描系统–3．接通电源并开始激光扫描–4．注意观察电脑屏幕里的工件实时点云数据生成–5．扫描点云处理–6．生成逆向工程软件需要的数据格式或RP系统需要的数据格式•实验一：逆向工程技术实验•编号：•课程名称：快速原型与逆向工程技术•英文名称：RapidPrototypingAndReverseEngineering•实验指导书名称：逆向工程技术实验指导书•一、学时学分–总学时：32学分：2实验学时：8开课学期：7•二、实验目的–了解和掌握产品的逆向设计过程，掌握激光三坐标扫描的基本方法和样件三维重构的过程，培养学生综合分析问题和解决问题的能力，提高学生动手实验和实践的能力。•三、实验基本原理–激光测量的三角法原理。–运用逆向工程技术，对样件的外形进行测量并进行样件的三维重构造型。•四、实验基本要求–1.每次实验前，学生要进行预习实验报告中规定的实验内容，由指导教师讲授有关实验原理、实验方法、实验时要注意的事项等；–2.实验时学生之间要相互配合，在老师指导下进行三维数据的采集及分析处理、三维模型的重构。•五、考核与报告–实验结束，学生要按实验指导书的要求和实际实验结果写实验报告，由指导教师签字确认后完成实验报告。•六、主要仪器设备–柔性关节臂式三坐标激光扫描系统（KreonKZ-50）–计算机（需装有IMAGEWARE软件）•七、实验项目与内容提要•八、适用专业序号实验名称内容提要每组人数实验学时实验要求实验类别实验地点01样件表面数据的获得Kreon激光扫描系统对样件表面进行三维扫描，并对扫描所得到的数据进行初步处理151必开逆向工程实验室02三维重构在逆向工程软件中处理测量数据，并进行曲面重构，得到计算机三维模型，最后在三维CAD软件中完成样件的三维造型设计。157必开实验一：逆向工程技术实验指导书•课程编号：2550317•课程名称：快速原型与逆向工程技术•一、实验目的–了解逆向工程的基本原理和工作流程，初步掌握使用柔性关节臂式三坐标扫描仪系统对样件进行测量的方法，并了解利用测量所得的数据进行三维重构的过程。•二、实验的主要内容–样件外形测量与三维重构。•三、实验设备和工具–柔性关节臂式三坐标扫描系统–装有IMAGEWARE软件的计算机实验一：逆向工程技术实验指导书•四、实验原理–1、三维测量的方法简介•不同的测量对象和测量目的，决定了测量过程和测量方法的不同。–2、非接触式测量的三角测量原理•激光探头的测量原理目前均以三角法为主。如下图所示，激光由激光二氧化碳激光发生器产生，经聚光透镜（F1）投射到工件表面，由于光束反射作用，部份光源经固定透镜（F2）聚焦后投射在光传感器（D）上。当物体沿y方向上下运动或者探头沿y方向移动，其散射光投射在光传感器的位置（X）亦将改变。–2、柔性关节臂式三坐标扫描仪系统简介•柔性关节臂式三坐标扫描仪系统由柔性关节臂式（FARO）三坐标测量机和Kreon激光扫描系统构成。•Kreon激光扫描系统是基于激光截面三角测量的原理，对工件表面进行非接触式的扫描，在激光线条上采集非常密集的数字化(坐标)点，通过与电子控制器(ECU)的连接，记录激光线与工件相交的位置。摄像机摄取激光线位置获得立体影像，ECU电子控制器对每条激光线条上所记录的600个坐标点在Z轴方向的位置，以初始校正时所记录的绝对零位为依据作重复计算。–3、三坐标测量技术在逆向工程上的应用•测量数据的三维实体重构是目前逆向工程领域研究的“瓶颈”，实际应用中，因原始数据的获取方式、三维重构支撑环境、三维重构方法和目标不同，其理论依据、技术路线、算法和工作内容有较大差异。•数据压缩、曲线曲面的光顺处理噪声去除、数据匀化数据预处理曲面重构特征提取与数据分块实验一：逆向工程技术实验指导书•五、实验方法和步骤–1、Kreon激光扫描系统数据处理”--“SELECTMACHINE”，在对话框中选“FAROArm.par”，按OK，跟着会出现一个读取ECU的进程。•“Services”--“Positioning”•将工件放在台面上使扫描头能扫到所有要扫的面。被扫工件应先喷上显像剂•Digitization--Adddigitization：Name(Path)•按Rundigitization定义步距、频率等•按Record开始扫描，一个方向扫完后，可用Face检查，未扫到部分再换方向局部补扫。•将已扫的结果点云过滤。•将结果输出，保存为逆向工程软件所用的格式文件。–2、在逆向工程软件中处理测量所得的数据，并进行曲面重构，得到计算机三维模型，最后在三维CAD软件中完成样件的三维造型设计。•三维实体重构的任务是：•将测量数据按实物原型的几何特征进行分割，•针对不同数据块采用不同的曲面建构方案（如初等解析曲面、B-spline曲面、Bezier曲面、NURBS曲面等）进行造型，•将这些曲面块拼接成实体。实验一：逆向工程技术实验指导书•六、实验报告主要内容及要求–1、本次针对样件进行三维扫描重构实验的步骤及注意事项。–2、回答思考题：•①获取实物的表面数据的方法一般有哪几种？•②三坐标测量机的应用可用于哪些方面？•③被扫描的物体的表面特性（软、硬，特征大、小，有无内部深孔式特征等）对于扫描有无影响？•④是否每一种物体都适用同一种方式进行逆向设计？•七、实验注意事项–设备必须接地良好–插拔连接线一定要先断开电源–先开FARO，并将FARO回零–打开ECU电源–等待ECU的发光二极管闪烁后，再启动POLYGONIA软件–扫描结束时先退出POLYGONIA，再关闭ECU和FARO的电源。连接扫描头的电缆不能被重压及强力扭转–扫描头不用时必须停放于指定位置，不可随意放置。实践环节二：LOM快速成型机操作•一、零件快速成型的原理–快速成型技术是由CAD模型直接驱动，快速制造任意复杂形状的三维物理实体的技术。其核心是由CAD模型直接驱动，其基本过程包括；•1．CAD模型设计：主要解决零件的几何造型，因此需有较强的实体造型或曲面造型功能，并与后续的软件具有良好的数据接口。目前大多数商业软件均配有STL数据转换接口，如PRO/E，UG，MDT，CATIA等。•2．Z向离散化：这是一个分层过程，它将CAD模型在Z向上分成一系列具有一定厚度的薄层，厚度在0.05~0.3mm之间。离散化破坏了零件在Z向的连续性，使之在Z向产生了“台阶”。但从理论上讲，只要将分层厚度定得合理，就可以满足零件的加工精度要求•3．层面信息处理：为控制成型机对层面的加工轨迹，就必须把层面的几何形状信息转换成控制成型机运动的数控代码。•4．层面加工与粘接：成型机根据控制指令进行二维扫描。同时进行层与层的粘接。•5．层层堆积：当一层制造完毕后，成型机工作台下降一个层厚的距离，再加工新的一层，如此反复进行直至整个原型加工完毕。对完成的原型进行后处理，如深度固化、去除支撑、打磨、着色等，使之达到要求实践环节二：LOM快速成型机操作•二、零件分层数据的产生方法–首先由CAD三维造型软件生成产品三维曲面模型或实体模型；然后将CAD数据模型网格化处理后生成三角形面化数据模型，即STL数据模型；然后再利用切片软件，将所表达的三维数据模型用一系列平行于XY平面，在Z方向有一定间距的平面来切割，以生成一层一层的截面轮廓信息，每一层的边界是由许多小线段组成，同时对轮廓截面网格划分；最后再对分层信息进行NC后置处理，生成控制成型机的数控成型代码，并进行分层制造，层层迭加，最后形成产品的三维原型。•三、LOM型激光快速成型设备的组成–计算机、原料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统、模型取出装置和机架等组成。实践环节二：LOM快速成型机操作•四、LOM型激光快速成型技术原理及所制造的快速成型零件的最终获得–1．数据准备•（1）加载STL文件•（2）修改系统参数设置•（3）零件缩放和定位•（4）分层切片、加网格和边框•（5）检查•（6）退出系统–2．快速成型制作•（1）设备准备•（2）启动成型软件•（3）选择工艺参数•（4）数控系统初始化•（5）手工制作工艺基础层•（6）造型•（7）退出系统–3．下件及后处理•（1）下件•（2）用夹具固定冷却•（3）剥除废料•（4）零件表面涂清漆并烘开•（5）按用户要求进行其它后处理步骤实验二：快速成型技术实验指导书•课程编号：课程名称：快速原型与逆向工程技术•一、实验目的–了解和掌握激光快速制造技术，了解薄型材料选择性切割（LOM：LaminatedObjectManufacturing分层物体制造）机理，培养学生综合分析问题和解决问题的能力，提高学生动手实验和实践的能力。•二、实验的主要内容–样件的快速成形制造•三、实验设备和工具–本实验采用ZIPPY-I-b型激光快速成型机。该设备采用二氧化碳激光发生器。实验二：快速成型技术实验指导书•四、实验原理–激光快速原型制造技术•激光快速原型制造技术生产的基本思路，起源于任何一个三维物体都可以看成是由一系列连续薄切片组成的。也就是说，只要用二维制造的方法获得一系列连续薄切片，将其按顺序堆叠，就可以的到所需要的三维实体，故快速原型制造技术又称为生长型制造技术。该方法的成型本质是一个由渐变、积累到质变的材料生长制造过程，其生长模式为“渐增”式。这是一种完成不同于传统“去除”式加工模式的新型制造理念，从根本上改变了制造的传统模式。–快速原型集成制造系统•快速原型制造技术是一种涉及多学科的新型综合制造技术。它综合应用了现代测试技术、计算机数控技术、CAD/CAM技术、激光技术和新型材料领域的最新成果。•ZIPPY-I-b型激光快速成型系统按其功能可分为：硬件系统和软件系统两大部分。硬件系统大体分为成型机成型执行部分和扫描执行机构；软件系统包括分层软件、支撑软件和系统控制软件。–ZIPPY-I-b型激光快速成型机成型执行部分»ZIPPY-I-b型激光快速成型机的固化成型执行部分主要包括光路部分和机械运动部分，分别完成光束的聚焦、传输以及工作台在三维方向上的运动，从而实现树脂有序固化，完成从三维CAD模型到实体即原型/零件的制作过程。–扫描执行机构»ZIPPY-I-b型激光快速成型机的扫描系统采用X——Y坐标扫描方式，它是一个计算机控制下作二维运动的工作台。当需切割轮廓线时，扫描系统根据计算机给出的模型，带动激光头做X——Y平面运动，以扫描速度完成二维扫描成型；当不切割轮廓线时，激光头快速移动，从而实现分层加工，周而复始完成原型（即三维实体的制作）。–LOM：LaminatedObjectManufacturing分层物体制造机理•零件外表面是由简单或复杂曲面构成的。只要按纸的厚度测出零件相应高度平面上的外轮廓线，就可以据此在每一层纸上切割出大小、形状各异的曲边平面（当前切割的纸位于所测高度处），层叠的效果，就得到了逼真的零件模型•二氧化碳激光发生器所发出的激光经折射、聚焦，可以在纸上切出轮廓。理论及实验证明，只要适当控制激光的功率和激光头运动的速度，就可以达到每次只切割一层纸的目的，经迭加成形后去除废料，即可得到纸质样件。–分层软件的使用•由三维CAD模型得到的数据格式，目前通常用STL文件格式来表达。STL文件（即三角形面片信息文件）是三维实体模型经过三角化处理之后得到的数据文件，它将实体表面离散化为大量的三角形面片，从而完成对三维实体模型的理想逼近，达到近似表述制件整体信息的目的。•在生产过程中STL文件无法提供成型机直接使用，必须使用分层软件将STL文件转化为二维层片轮廓信息。分层软件可对由制作模块已经确定好大小、方向的三维制件CAD模型进行分层切片处理，生成加工必须的二维层片轮廓信息，供成型机加工使用。实验二：快速成型技术实验指导书•五、实验方法和步骤–1、前处理：•①调用CAD系统中的STL文件格式转化模块将三维CAD模型转化为STL标准格式文件；•②用Mag