反求工程課件課件

1、反求工程天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院李 佳QQ: 16107080第一章第一章 概論概論 一、反求工程的產(chǎn)生背景1仿制已有產(chǎn)品2基于已有設(shè)計(jì)的產(chǎn)品開發(fā)3數(shù)字臨床技術(shù)4考古文物復(fù)原二、反求工程定義1 反求工程(Reverse Engineering, RE)，也稱逆向工程、反向工程，是指用一定的測量手段對實(shí)物或模型進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，通過三維幾何建模方法重構(gòu)實(shí)物的CAD模型，進(jìn)行再設(shè)計(jì)并完成產(chǎn)品制造的過程。2 反求工程是一個從樣品生成產(chǎn)品數(shù)字化信息模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)及生產(chǎn)的全過程。3 消化吸收先進(jìn)技術(shù)的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合。三、反求技術(shù)內(nèi)涵以先進(jìn)產(chǎn)品的實(shí)物、軟件(圖樣、程序

2、、技術(shù)文件等)或影像(圖片、照片等)為研究對象，應(yīng)用現(xiàn)代科技方法和相關(guān)專業(yè)知識對其進(jìn)行系統(tǒng)的分析和研究，進(jìn)而制造出新一代產(chǎn)品。所謂“逆向”，是針對通常的先有設(shè)計(jì)意圖再制造出實(shí)物的設(shè)計(jì)制造流程而言的。有人將反求工程和盜版Copy混為一談，認(rèn)為反求實(shí)質(zhì)上就是竊取，這樣理解是錯誤的。反求之所以會上升到工程的概念，是因?yàn)樗笆且栽O(shè)計(jì)方法學(xué)為指導(dǎo)，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用各種專業(yè)人員的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識和創(chuàng)新思維，對已有新產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造，是已有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的再設(shè)計(jì)”。反求不是Copy，繼承與創(chuàng)新才是反求的真諦，在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展如此迅速的今天，反求工程技術(shù)的應(yīng)用，無疑是企業(yè)快速發(fā)展的

3、捷徑廣義反求和狹義反求廣義地看，反求無處不在、絕大部分產(chǎn)品都是反求得到的，哪怕是新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品從技術(shù)實(shí)現(xiàn)層面上看，反求又是各項(xiàng)單元技術(shù)的組合，因此研究開發(fā)這些單元技術(shù)也算是從事反求工作目前普遍理解的反求是根據(jù)實(shí)物進(jìn)行反求設(shè)計(jì)與制造，是狹義的四、反求工程的發(fā)展 反求工程最早是60年代在日本提出的，當(dāng)時叫做反求設(shè)計(jì)1. 二戰(zhàn)之后，日本急于振興民族，恢復(fù)本國經(jīng)濟(jì)，于是就提出“一代引進(jìn)，二代國產(chǎn)化，三代改進(jìn)出口，四代占領(lǐng)國際市場”的戰(zhàn)略方針。開始先從外部引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)、設(shè)備，然后在此對它們進(jìn)行繼承與借鑒的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)其中的缺陷與不足，進(jìn)行深層次的改進(jìn)，最后再打出自己的品牌 反求工程源于日本，世界上運(yùn)用的最

4、好的也是日本。它應(yīng)用反求工程技術(shù)消化、吸收引進(jìn)的技術(shù)，在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，使日本國民經(jīng)濟(jì)從50年代落后先進(jìn)國家二三十年，到70、80年代成為世界第二號經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國中國也不乏反求的例子，最典型最成功的反求工程就算是海爾了，它一開始借鑒德國的海爾技術(shù)與管理模式，又在其基礎(chǔ)上進(jìn)行繼承與創(chuàng)新，現(xiàn)在已經(jīng)成為世界知名品牌五、反求工程的技術(shù)實(shí)現(xiàn) 1、數(shù)據(jù)采集2、三維重構(gòu)3、再設(shè)計(jì)4、制造六、反求工程的應(yīng)用領(lǐng)域 1、飛機(jī)、造船2、汽車3、各類機(jī)械產(chǎn)品4、玩具5、數(shù)字臨床技術(shù) 文物復(fù)原 個體化制鞋七、反求的技術(shù)類型u基于實(shí)物的反求工藝品汽車工程機(jī)械玩具u基于設(shè)計(jì)圖紙的反求外來設(shè)計(jì)圖紙已有產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙測繪圖紙產(chǎn)品

5、草繪圖八、反求基本過程產(chǎn)品反求1.分析產(chǎn)品功能、工作原理、設(shè)計(jì)思想、生產(chǎn)工藝2.分解部件、測繪零件3.再設(shè)計(jì)4. 加工制造、裝配 零件反求第二章第二章 反求工程系統(tǒng)反求工程系統(tǒng) 一一、反求工程系統(tǒng)的構(gòu)成1 數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)三座標(biāo)測量機(jī)光學(xué)掃描儀2 模型重建子系統(tǒng)逆向軟件CAD/CAM系統(tǒng)3 產(chǎn)品制造子系統(tǒng)快速原型系統(tǒng)模具制造系統(tǒng)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例1（米老鼠原型）（RE/CAD/CAM/CNC/RT/RP系統(tǒng)集成）Miki-Mouse原型 操作步驟1:曲面構(gòu)建步驟一: 數(shù)位訊號輸入點(diǎn)群資料、過濾及選取 2:曲面構(gòu)建步驟二: 幾何曲面模型的建立曲面的分析與檢測3:曲面構(gòu)建步驟三: 透過igs 輸出到

6、類比訊號修飾曲面的平滑度並縫合曲面間隙做offset 或 shell 轉(zhuǎn)為實(shí)體做公母模與RP件4:透過stl輸出到 RP前處理軟體lighyear:做破洞縫補(bǔ)做物件支撐的建構(gòu)刮板參數(shù)物件支撐的建構(gòu)5:透過bff輸出到RP機(jī)做SLA成型 點(diǎn)云數(shù)據(jù) igs文件CNC加工件 模具設(shè)計(jì)STL文件圖示範(fàn)例 背面組裝件(工模、RP-原型、 母模) 快速原型 模具加工（CNC） 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例2(汽車覆蓋件)車身四面掃描測量結(jié)果車身頂部平面掃描結(jié)果多視拼接結(jié)果特征網(wǎng)格NURBS曲面模具設(shè)計(jì)數(shù)控編程數(shù)控編程與加工沖壓成型NURBS曲面系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例3(個體化顱骨修復(fù))第三章第三章 反求工程設(shè)備與工具反求工程設(shè)備與

7、工具 一、接觸式測量設(shè)備 YXB-龍門式三坐標(biāo)測量機(jī)測量精度(有三種選擇):(1)2.5 + L/300 (2)2.5 + 2L/300 (3)2.5 + 4L/300 詳細(xì)規(guī)格:測量行程:XYZ(mm)120015001000外形尺寸: LWH(mm)220025004000工件限重:800 kg配置信息 配置名稱配置列表 配置1 配置2 配置3 測量器具YXB Renishaw 光柵尺Renishaw RSF HEIDENHAIN 電機(jī)SANYO 控制系統(tǒng)YXB Renishaw Pantec 機(jī)身結(jié)構(gòu)氣浮結(jié)構(gòu) 臺面材料大理石平臺 測量軟件 RationalDMIS 二、非接觸式測量設(shè)備

8、三維激光掃描儀主要技術(shù)參數(shù)：二次元測頭分辨率0.001mm二次元測量精度0.02mm三維測量精度0.05mm（有效景深100mm）測量景深100mm單次掃描寬度50mm數(shù)據(jù)輸出格ASC三、快速原型系統(tǒng) SPS600激光快速成型機(jī)激光快速成型機(jī)激光快速成型實(shí)例激光快速成型實(shí)例四、三維重構(gòu)系統(tǒng)（逆向軟件） SurfacerImageware3DDoctorMimicsGeomagic Imageware軟件模塊：基礎(chǔ)模塊文件存取、顯示控制、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)點(diǎn)處理模塊 讀取點(diǎn)云數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽樣達(dá)到合適的密度、整齊化/有序化點(diǎn)云、點(diǎn)云剖面、點(diǎn)云的全方位模型、修建點(diǎn)云曲線、曲面模塊完整的曲線、曲面建模工具和修

9、改工具掃掠、放樣、倒角、翻邊、偏置等 多變形造型模塊 完美的三角形數(shù)據(jù)處理 輸入/輸出STL文件檢驗(yàn)?zāi)K 提供大量工具輸入CAD數(shù)據(jù)，用來與重構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析誤差評估模塊 提供定性和定量評估模型總體質(zhì)量的工具 定性評估模型的美學(xué)質(zhì)量 定量評估模型的精確性工作過程：點(diǎn)處理點(diǎn)云對齊、點(diǎn)云分割、點(diǎn)云處理、點(diǎn)云減少、特征抽取、點(diǎn)云多變形化曲線創(chuàng)建 多種曲線構(gòu)建方法:自由曲線擬合基本曲線擬合基于曲線創(chuàng)建曲線 基于曲面創(chuàng)建曲線曲線編輯操作：合并曲線曲線延伸曲線修整 曲線查詢曲面創(chuàng)建過程 多種曲面構(gòu)建方法:直接構(gòu)建基本曲面由點(diǎn)云直接建立曲面由點(diǎn)云和曲線擬合曲面擬合自由曲面 曲面編輯操作：偏移、剪斷、分割

10、、修整、修改、延伸、縫合、合并、圓過渡、孔填充、剪切、曲率半徑計(jì)算、顯示控制嗲網(wǎng)格、識別輪廓等五、CAD/CAM軟件系統(tǒng)Unigraphics(UG) & SolidEdgePro/Engineer (Pro/E)I-DEASCATIACimatronSolidWorkInventor六、數(shù)控加工裝備 加工中心 數(shù)控銑床 電火花機(jī)床 數(shù)控雕刻機(jī)接觸式測量 三坐標(biāo)測量機(jī)是一種大型精密的三坐標(biāo)測量儀器，可以對形狀復(fù)雜的工件的空間尺寸（數(shù)據(jù)）進(jìn)行測量。 坐標(biāo)測量機(jī)一般采用觸發(fā)式接觸測量頭，一次采樣只能獲取一個點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。 二十世紀(jì)九十年代初，英國Renishaw公司研制出一種三維力一位移

11、傳感的測量頭，該測頭可以在工件上滑動測量，連續(xù)獲取表面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。 坐標(biāo)測量機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)是測量精度高，適應(yīng)性強(qiáng)，但測量效率低，而且對一些軟質(zhì)表面無法進(jìn)行測量。 只能反求外部形狀只能反求外部形狀一、數(shù)據(jù)采集技術(shù)第四章第四章 反求工程關(guān)鍵技術(shù)反求工程關(guān)鍵技術(shù) 層析法將被反求的零件原形填充后，采用逐層銑削和逐層光掃描相結(jié)合的方法獲取零件原形不同截面的內(nèi)外輪廓數(shù)據(jù)，并將其組合起來獲得零件的三維數(shù)據(jù)。 層析法的優(yōu)點(diǎn)在于對任意形狀、任意結(jié)構(gòu)零件的內(nèi)外輪廓進(jìn)行測量，但測量方式是破壞性的。 可以反求內(nèi)部形狀可以反求內(nèi)部形狀(2) 非接觸式測量非接觸式測量根據(jù)測量原理的不同，大致有光學(xué)測量、超聲波測量、電磁測量等

12、方式。 基于光學(xué)三角型原理的逆向工程掃描法這種測量方法根據(jù)光學(xué)三角型測量原理，以光作為光源，其結(jié)構(gòu)模式可以分為光點(diǎn)、單線條、多光條等。將其投射到被測物體表面，并采用光電敏感元件在另一位置接收光的反射能量，根據(jù)光點(diǎn)或光條在物體上成象的偏移，通過被測物體基平面、象點(diǎn)、象距等之間的關(guān)系計(jì)算物體的深度信息。 基于相位偏移測量原理的莫爾條紋法這種測量方法將光柵條紋投射到被測物體表面，光柵條紋受物體表面形狀的調(diào)制，其條紋間的相位關(guān)系會發(fā)生變化，然后用數(shù)字圖像處理的方法解析出光柵條紋圖像的相位變化量，進(jìn)而獲取被測物體表面的三維信息。 基于CT和ICT斷層掃描圖像逆向工程法對被測物體進(jìn)行斷層截面掃描，以X射線

13、的衰減系數(shù)為依據(jù)，經(jīng)過處理重建斷層截面圖像，根據(jù)不同位置的斷層圖像可建立物體的三維信息。 該方法可以對被測物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和形狀進(jìn)行無損測量。該方法造價高，測量系統(tǒng)的空間分辨率低，獲取數(shù)據(jù)時間長，設(shè)備體積大。美國LLNL實(shí)驗(yàn)室研制的高分辨率ICT系統(tǒng)測量精度為0.01mm。 立體視覺測量方法根據(jù)同一個三維空間點(diǎn)在不同空間位置的兩個（多個）攝象機(jī)拍攝的圖像中的視差，以及攝象機(jī)之間位置的空間幾何關(guān)系來獲取該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。 該方法可以對處于兩個（多個）攝象機(jī)共同視野內(nèi)的目標(biāo)特征點(diǎn)進(jìn)行測量，而無須伺服機(jī)構(gòu)等掃描裝置。 立體視覺測量面臨的最大困難是空間特征點(diǎn)在多幅數(shù)字圖象中提取與匹配的精度與準(zhǔn)確性等問題

14、。近來出現(xiàn)了以將具有空間編碼的特征的結(jié)構(gòu)光投射到被測物體表面制造測量特征的方法有效解決了測量特征提取和匹配的問題，但在測量精度與測量點(diǎn)的數(shù)量上仍需改進(jìn)。 二、數(shù)據(jù)平滑技術(shù)平滑處理方法簡單平均法Pi=1/(2N+1)h(n)p(i-n)(n=-NN)其中h(i)為濾波因子，p為平滑前的點(diǎn)，為平滑前的點(diǎn)，P Pi為平滑后的點(diǎn)為平滑后的點(diǎn)加權(quán)平均法取h(i)=h(-N)， ， h(0)， ， h(N)，有h(n)=1(n=-NN)線滑動平均法利用最小二乘法對離散數(shù)據(jù)進(jìn)行線性平滑，三點(diǎn)平滑平均時N=1，此時有Pi=1/3(p i-1+ p i+ p i+1 ) （i=1，2， ，m-1）P0=1/6(

15、5 p 0+2 p 1- p 2 )Pm=1/6(p m-2+2 p m-1+5 p m )點(diǎn)云的平滑濾波中值濾波法平均值濾波法高斯濾波法工件與支撐三、支撐設(shè)計(jì)技術(shù)增強(qiáng)支架結(jié)構(gòu)三角支架結(jié)構(gòu) 旗狀結(jié)構(gòu) 懸臂式結(jié)構(gòu) 網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu) 點(diǎn)接觸鋸齒狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀分岔結(jié)構(gòu)手工編輯支撐第五章第五章 典型案例典型案例 一、發(fā)動機(jī)排氣管反求發(fā)動機(jī)排氣管反求 基本步驟：分析實(shí)物原型 外形復(fù)雜，曲面變化較大且不規(guī)則可采用多種測量方法是數(shù)據(jù)的采集方案要符合造型的思路排氣管表面為完全無規(guī)則的空間曲面但整個幾何形狀是由排氣管輪廓曲線及可變截面輪廓線來控制的可以通過變截面掃描物體的方法來創(chuàng)建排氣管的曲面模型優(yōu)點(diǎn)是采集的數(shù)據(jù)少，造型

16、時幾何模型表面光滑，有利于濾掉測量過程中產(chǎn)生的隨機(jī)擾動和原始零件固有的缺陷也可以對排氣管表面進(jìn)行分層截面輪廓測量，但這種方法數(shù)據(jù)采集工作量大，曲線處理的工作量也很大，且通過這些曲線所創(chuàng)建的曲面上會存在明顯的凸凹不平波紋 反求系統(tǒng)美國brown&sharpe公司生產(chǎn)的microxcel pfx454型三坐標(biāo)測量機(jī)Renishaw測頭及隨機(jī)軟件PC-DMIS 3.0Cimatron CAD/CAM測量機(jī)測頭校驗(yàn)保證軟件能夠計(jì)算球心相對于測量機(jī)坐標(biāo)系零點(diǎn)的位置計(jì)算測頭的等效直徑，進(jìn)行測頭半徑補(bǔ)償考慮如何建立被測量物體的坐標(biāo)系，要對物體進(jìn)行哪幾個方向的測量，對測頭在這幾個方向要一一進(jìn)行校驗(yàn)測頭

17、校驗(yàn)后，要考慮排氣管在工作臺上怎樣裝夾，嚴(yán)格按照測量要求，使用專用夾具，將工件固定在工作臺上，以保證精度要求。 物體坐標(biāo)系的建立 坐標(biāo)系的建立正確與否，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)處理能否順利進(jìn)行、造型是否正確排氣管在測量過程中，不可能一次裝卡測完所有數(shù)據(jù)為了保證在不同的坐標(biāo)系測量的數(shù)據(jù)，能夠進(jìn)行整合，構(gòu)成被測物體的統(tǒng)一數(shù)字模型，要求在不同的測量過程中，確立的坐標(biāo)系能夠統(tǒng)一起來實(shí)測中取上端面第一個圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，至于軸向問題可通過Cimatron CAD/CAM軟件坐標(biāo)變換功能得到統(tǒng)一建立坐標(biāo)系分為三步：零件的找正、旋轉(zhuǎn)到軸線、設(shè)置原點(diǎn) a、零件的找正根據(jù)排氣管的幾何形狀，選用排氣管的底面作為找正平面。在底

18、面上測三點(diǎn)，確定一個平面b、旋轉(zhuǎn)到軸線以底面四個近似橢圓圓心連線作為軸線（Y軸）c、設(shè)置原點(diǎn)利用此基準(zhǔn)可把不同坐標(biāo)系測得的元素整合在一起。根據(jù)分析，以底面四個橢圓靠邊上的一個橢圓圓心為原點(diǎn)分別建立坐標(biāo)系排氣管的外形復(fù)雜，不可能一次測量完所有數(shù)據(jù)，根據(jù)分析需要兩次測量分別建立坐標(biāo)系，并保證這兩個坐標(biāo)系原點(diǎn)盡量統(tǒng)一兩坐標(biāo)系分別保存 分析特征曲線 根據(jù)排氣管的幾何形狀可知，排氣管的整體形狀是由排氣管的輪廓曲線和變截面線來控制的為了將來造型逼真，嚴(yán)格的說是應(yīng)該由各個變截面曲線的中心點(diǎn)的連線而構(gòu)成的但是在測量和數(shù)據(jù)處理時很難達(dá)到這一點(diǎn)所以測量時是根據(jù)排氣管的分型線和管表面與肋板的交線來作為輪廓曲線這樣做的缺點(diǎn)是測量出來的輪廓曲線很不光滑可在后面的數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行光順處理數(shù)據(jù)采集 根據(jù)以上分析，排氣管的整體幾何形狀可由排氣管的輪廓曲線以及可變截面來控制由于排氣管外形較復(fù)雜，分為兩次測量曲率變化比較明顯的地方增加測量點(diǎn)。 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及處理 根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的需要選擇IGES、STEP通用格式輸出在測量曲面輪廓時，測頭很難準(zhǔn)確接觸到模型的棱線上，造成所測曲線的光滑性比較差由于測頭和棱線的接觸法矢方向難以保持一致，有可能造成測量結(jié)果在三維空間內(nèi)有明顯的波動這就需要對被測曲線做光滑性處理使這些點(diǎn)同時投影