關(guān)于逆向工程與快速成型論文

1、 關(guān)于逆向工程課題的預(yù)習(xí)工作1.何為逆向工程。逆向工程（又稱反向工程），是一種技術(shù)過程，即對一項(xiàng)目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行逆向分析及研究，從而演繹并得出該產(chǎn)品的處理流程、組織結(jié)構(gòu)、功能性能規(guī) 格等設(shè)計(jì)要素，以制作出功能相近，但又不完全一樣的產(chǎn)品。逆向工程源于商業(yè)及軍事領(lǐng)域中的硬件分析。其主要目的是，在不能輕易獲得必要的生產(chǎn)信息下，直接從成品的分析，推導(dǎo)出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理。如下圖1.1，1.2所示。逆向工程簡單來說就是用逆向思維進(jìn)行反推的過程。1.1正向設(shè)計(jì)流程圖實(shí)體模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)CAD建模 N 快速原型 評估 Y制造1.2逆向工程設(shè)計(jì)流程圖2.通過逆向工程能做什么1）.目前逆向工程在制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。簡單說，主

2、要有以下方面： .汽車與飛機(jī)的外型設(shè)計(jì)。 .模具設(shè)計(jì)及制造。 .仿形設(shè)計(jì)。 .醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。 .快速原型制造。 .文物工藝品復(fù)制。 .電視電影的3D造型。2） .逆向工程與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式有眾多優(yōu)點(diǎn)： .降低成本。 .縮短設(shè)計(jì)周期。 .學(xué)習(xí)及消化先進(jìn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)。 .提高生產(chǎn)效率。 .提高設(shè)計(jì)水準(zhǔn)。3） .逆向工程存在問題： .測量方法中的實(shí)際問題。 .數(shù)據(jù)處理問題。 .曲面重構(gòu)問題。 .逆向工程無法超越原有的零件，簡單的模仿無法了解到產(chǎn)品最初的設(shè)計(jì)思想。4） .聯(lián)系實(shí)際與本專業(yè)相關(guān)模具聯(lián)系起來，有以下優(yōu)點(diǎn)： .降低模具制造成本。 .提高模具生產(chǎn)效率。 .減少修模量。 .提高模具行業(yè)整體技術(shù)含量。

3、5） .我對逆向工程的評價(jià)：逆向工程發(fā)展飛快，前景很好。但是我從種種資料字里行間發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)逆向工程所做的CAD模型還僅限于幾何外形的重構(gòu)，只能說高效但談不上精確。相對落后的國家為了在短期內(nèi)追上較發(fā)達(dá)國家，提高自身的競爭力，逆向工程的應(yīng)用就是必然的，它可以大幅度縮短研發(fā)周期，節(jié)省大量實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。但結(jié)合中國國情，逆向工程在中國可以難聽點(diǎn)叫山寨，故逆向工程可能會(huì)被誤認(rèn)為是對知識(shí)產(chǎn)權(quán)的嚴(yán)重侵害。3.逆向工程關(guān)鍵部分的簡單介紹1).數(shù)據(jù)測量儀器及其測量方法。如圖1.3所示1.3測量方法結(jié)構(gòu)圖我曾去實(shí)驗(yàn)室一次，據(jù)我觀察，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有一臺(tái)非接觸式和接觸式測量設(shè)備。非接觸式測量設(shè)備應(yīng)該是結(jié)構(gòu)光三維掃描儀，接觸式測

4、量設(shè)備應(yīng)該是三坐標(biāo)測量機(jī)。如圖1.4和1.5所示，兩種方法具體比較。1.4、1.5接觸式與非接觸式測量方法對比長話短說，激光掃描儀簡單好用快速但精度低，受被測樣件的顏色、材質(zhì)和反射特性影響大。三坐標(biāo)測量機(jī)精度高但速度慢，對于形狀復(fù)雜的工件數(shù)據(jù)處理麻煩。2） 得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)還要經(jīng)過模型重建軟件才能得到所需的CAD模型。因此模型重構(gòu)軟件的優(yōu)劣是逆向工程中的重中之重。下面介紹幾個(gè)常見的專業(yè)軟件：imageware，geomagic studio，copyCAD，rapidform等。 imageware在逆向工程的方面應(yīng)用最為廣泛，提供了從掃描輸入、點(diǎn)云處理、曲面拼接、光順、形成class A曲面、

5、無縫連接CAX系列、直到檢測的完整的逆向工程解決方案。它處理數(shù)據(jù)的流程遵循點(diǎn)曲線曲面原則，簡單清晰，便于使用，其流程圖見圖1.6，imageware可以處理幾萬至幾百萬的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的Class A曲面具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。Imageware模型檢測功能可以方便、直觀地顯示所構(gòu)造的曲面模型與實(shí)際測量數(shù)據(jù)之間的誤差以及面度、圓度等幾何公差。但這軟件必須在UG內(nèi)才能使用，可惜我電腦裝了一個(gè)學(xué)期都裝不成UG（應(yīng)該是電腦系統(tǒng)設(shè)置問題），所以現(xiàn)在電腦里用的是下個(gè)介紹的geomagic。1.6 imageware工作流程圖 geomagic studio提供了數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)網(wǎng)格化、

6、曲面構(gòu)建、網(wǎng)格壓縮等功能程序包，在曲面重建時(shí)，可以給予網(wǎng)格識(shí)別特征并進(jìn)行特征分會(huì)計(jì)曲面參數(shù)化，是目前對點(diǎn)云處理及三維曲面構(gòu)建功能最強(qiáng)大的軟件。 copyCAD是英國DELCAM公司CAD系列產(chǎn)品中的一個(gè)，主要處理測量數(shù)據(jù)的曲面造型。作為系列產(chǎn)品的一部分，copyCAD與系列中的其他軟件可以很好地集成。copyCAD提供了特征曲面的識(shí)別功能，主要處理測量數(shù)據(jù)的曲面造型，涵蓋了從設(shè)計(jì)到制作、檢測的全過程。 rapidform是韓國開發(fā)的逆向工程軟件，主要用于處理測量、掃面數(shù)據(jù)的曲面建模以及基于CT數(shù)據(jù)的醫(yī)療凸現(xiàn)建模，還可以完成藝術(shù)品的測量建模以及高級圖形的聲稱。它提供有一整套模型分割、曲面生成、曲

7、面檢測的工具，用戶可以方便的利用以前構(gòu)造的曲線網(wǎng)絡(luò)經(jīng)縮放處理后應(yīng)用到新的模重構(gòu)過程中。以上介紹的是目前常見的逆向工程軟件，在國內(nèi)能夠見到的商品化的逆向工程軟件均是泊來品。國內(nèi)對逆向工程軟件方面的研究也就主要集中在幾間高校：清華大學(xué)、浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)。4.何為快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping Manufacturing）快速成型技術(shù)借助計(jì)算機(jī)、激光、精密傳動(dòng)和材料等現(xiàn)代手段,直接將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)集成一體,根據(jù)計(jì)算機(jī)上構(gòu)造的三維模型,能在很短時(shí)間內(nèi)直接制造出產(chǎn)品樣品。不需機(jī)加工設(shè)備或者模具即可快速制造形狀極為復(fù)雜的工件,從而在小批量產(chǎn)品

8、生產(chǎn)或新產(chǎn)品試制時(shí)節(jié)省時(shí)間和初始投資?？焖俪尚图夹g(shù)應(yīng)用非常廣泛,尤其在汽車制造,航天航空,建筑,家電,衛(wèi)生醫(yī)療及娛樂等領(lǐng)域有強(qiáng)大的應(yīng)用。5. 快速成型技術(shù)RP 系統(tǒng)可分為兩大類：基于激光或其它光源的成型技術(shù)， 如： 立體光造型（SL）、分層實(shí)體制造（LOM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、形狀沉積制造（SDM）等；基于噴射的成型技術(shù)，如：熔融沉積制造（FDM）、三維打印制造（3DP）等。光固化成形SLA(Stereo lithography Apparatus)工藝也稱光造型、立體光刻及立體印刷，其工藝過程是以液態(tài)光敏樹脂為材料充滿液槽，由計(jì)算機(jī)控制激光束跟蹤層狀截面軌跡，并照射到液 槽中的液體樹

9、脂，而使這一層樹脂固化，之后升降臺(tái)下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，然后再進(jìn)行新一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層 上，如此重復(fù)直到整個(gè)零件制造完畢，得到1個(gè)三維實(shí)體模型。該工藝的特點(diǎn)是：原型件精度高，零件強(qiáng)度和硬度好，可制出形狀特別復(fù)雜的空心零件，生產(chǎn)的模型 柔性化好，可隨意拆裝，是間接制模的理想方法。缺點(diǎn)是需要支撐，樹脂收縮會(huì)導(dǎo)致精度下降，另外光固化樹脂有一定的毒性而不符合綠色制造發(fā)展趨勢等。分層實(shí)體制造LOM(Laminated Object Manufacturing)工藝或稱為疊層實(shí)體制造，其工藝原理是根據(jù)零件分層幾何信息切割箔材和紙等，將所獲得的層片粘接成三維實(shí)體。

10、其工藝過程是： 首先鋪上一層箔材，然后用CO，激光在計(jì)算機(jī)控制下切出本層輪廓，非零件部分全部切碎以便于去除。當(dāng)本層完成后，再鋪上一層箔材，用滾子碾壓并加熱，以固 化黏結(jié)劑，使新鋪上的一層牢固地粘接在已成形體上，再切割該層的輪廓，如此反復(fù)直到加工完畢，最后去除切碎部分以得到完整的零件。該工藝的特點(diǎn)是工作可 靠，模型支撐性好，成本低，效率高。缺點(diǎn)是前、后處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不能制造中空結(jié)構(gòu)件。選擇性激光燒結(jié)SLS(Selective Laser Sintering)工藝，常采用的材料有金屬、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作為成形材料。其工藝過程是：先在工作臺(tái)上鋪上一層粉末，在計(jì)算機(jī)控制下用 激光束有選擇

11、地進(jìn)行燒結(jié)(零件的空心部分不燒結(jié)，仍為粉末材料)，被燒結(jié)部分便固化在一起構(gòu)成零件的實(shí)心部分。一層完成后再進(jìn)行下一層，新一層與其上一層 被牢牢地?zé)Y(jié)在一起。全部燒結(jié)完成后，去除多余的粉末，便得到燒結(jié)成的零件。該工藝的特點(diǎn)是材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、金屬、蠟等 材料的零件。造型精度高，原型強(qiáng)度高，所以可用樣件進(jìn)行功能試驗(yàn)或裝配模擬。熔融沉積制造FDM(Fused Deposition Manufacturing)工藝又稱為熔絲沉積成型，其工藝過程是以熱塑性成形材料絲為材料，材料絲通過加熱器的擠壓頭熔化成液體，由計(jì)算機(jī)控制擠壓頭 沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，使熔化的熱塑材料

12、絲通過噴嘴擠出，覆蓋于已建造的零件之上，并在極短的時(shí)間內(nèi)迅速凝固，形成一層材料。之后，擠壓頭沿軸 向向上運(yùn)動(dòng)一微小距離進(jìn)行下一層材料的建造。這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個(gè)實(shí)體模型或零件。該工藝的特點(diǎn)是使用、維護(hù)簡單，成本較低，速度快，一般復(fù)雜程 度原型僅需要幾個(gè)小時(shí)即可成型，且無污染。6.逆向工程與快速成型一體化技術(shù)在逆向工程設(shè)計(jì)過程的生產(chǎn)終端上結(jié)合目前先進(jìn)的快速成型技術(shù)是目前的研究熱點(diǎn),逆向工程和快速成型技術(shù)的綜合應(yīng)用目前已發(fā)展成為CAD/CAM系統(tǒng)中相對獨(dú)立的研究領(lǐng)域。二者的結(jié)合應(yīng)用既可節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間,又可節(jié)約設(shè)計(jì)成本,同時(shí)提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和精度。逆向工程和快速成型技術(shù)的綜合應(yīng)用主要在逆向

13、工程技術(shù)應(yīng)用過程中的實(shí)物或產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)測量、測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理、三維模型的數(shù)據(jù)重構(gòu)、數(shù)據(jù)誤差分析及數(shù)據(jù)的對應(yīng)格式輸出和快速成型技術(shù)應(yīng)用過程中快速成型方法和設(shè)備的選擇、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化、快速成型的加工及精度控制這些操作的結(jié)合和相互之間影響和制約如圖1.7。下面我簡單地總結(jié)并結(jié)合其他資料解釋第五點(diǎn)內(nèi)容：1）.快速性。通過STL格式文件，RPM系統(tǒng)幾乎可以與所有的CAD造型系統(tǒng)無縫連接，從CAD模型到完成原型制作通常只需幾小時(shí)到幾十小時(shí)，大幅度縮短新產(chǎn)品的開發(fā)成本和周期?？蓽p少產(chǎn)品開發(fā)成本30%70%，減少開發(fā)時(shí)間50%，甚至更少。2）.高度柔性化?？焖俪尚拖到y(tǒng)是真正的數(shù)字化制造系統(tǒng)，在整個(gè)制造過程，

14、僅需改變CAD模型或反求數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，對成型設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整，即可在計(jì)算機(jī)的管理下制造出不同形狀的零件或模型，特別適合新品開發(fā)或單件小批量生產(chǎn)。3）.技術(shù)高度集成化?？焖俪尚图夹g(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、控制技術(shù)、激光技術(shù)、材料技術(shù)和機(jī)械工程等多項(xiàng)交叉學(xué)科的綜合集成。它以離散/堆積為方法，在計(jì)算機(jī)和數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)上，追求最大的柔性為目標(biāo)。4）.設(shè)計(jì)制造一體化。一個(gè)顯著特點(diǎn)是CAD/CAM一體化。由于采用了離散/堆積的分層制造工藝，能夠很好地將CAD、CAM結(jié)合起來。5）.制造自由成型化。它可根據(jù)零件的形狀，不受任何專用工具或模具的限制而自由成型，也不受零件任何復(fù)雜程度的限制，能夠制造任何復(fù)雜

15、形狀與結(jié)構(gòu)、不同材料復(fù)合的零件。RPM技術(shù)大大簡化了工藝規(guī)程、工裝設(shè)備、裝配等過程，很容易實(shí)現(xiàn)由產(chǎn)品模型驅(qū)動(dòng)的直接制造或稱自由制造。6）.材料使用廣泛性。金屬、紙張、塑料、樹脂、石蠟、陶瓷甚至纖維等材料在快速原型制造領(lǐng)域已有很好的應(yīng)用。1.7逆向工程與快速成型一體化技術(shù)流程圖6.逆向工程與快速成型一體化技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用1）.間接快速制模技術(shù)（IRT）間接快速制模技術(shù)是將快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)的成型技術(shù)有效地結(jié)合，實(shí)現(xiàn)模具的快速制造。間接快速制模技術(shù)通常以非金屬材料為主（如紙、ABS工程塑料、蠟、尼龍、樹脂等）。通常情況下，非金屬成型無法直接作為模具使用，需要以RP（Rapid Prototy

16、ping）原型作母模，通過各種工藝轉(zhuǎn)換來制造金屬模具。而間接制模一般可以使模具制造成本和周期下降一半，明顯提高了生產(chǎn)效率。2）.直接快速制模技術(shù)（DRT）對于單件小批量生產(chǎn)，模具的成本占有很大的比重，而修模占近1/3，因此小批量生產(chǎn)的成本較高。較好的解決方法就是采用快速成型直接制造模具，可在幾天之內(nèi)完成非常復(fù)雜的零部件模具的制造，而且越復(fù)雜越能顯示其優(yōu)越性?；贚OM（Laminated Object Manufacturing）基礎(chǔ)的金屬板材堆積成型工藝。以LOM工藝為基礎(chǔ)，直接采用金屬片材為材料，通過激光切割、焊接或粘接金屬片材成型金屬零件?；赟LS(Selective Laser Si

17、ntering)基礎(chǔ)的金屬粉末堆積成型工藝。該類工藝主要是采用激光燒結(jié)或粘接劑粘接金屬粉末成型，典型代表是SLS工藝?；贔DM（Fused Deposition Modeling）基礎(chǔ)的金屬絲材熔融堆積工藝。首先將能用FDM成型的金屬粉與粘接劑摻勻，然后擠壓成具有足夠彎曲度和粘接度的金屬絲材供FDM設(shè)備成型使用。金屬材料包括不銹鋼、鎢及碳化鎢。會(huì)說到快速成型技術(shù)的原因是因?yàn)槲以趯?shí)驗(yàn)室里看到了一臺(tái)快速成型機(jī)和利用它所做的模型。逆向工程，它還僅限于設(shè)計(jì)層面。要使它得以實(shí)現(xiàn)，得與其他技術(shù)連接上，其中就包括快速成型技術(shù)。我不清楚逆向工程跟快速成型是否是最佳搭檔，因?yàn)樗橘Y料里都理所當(dāng)然地把他們聯(lián)系起

18、來，相信其他專家是這么想的。但綜合上述資料逆向工程與快速成形一體化技術(shù)應(yīng)用廣泛，開發(fā)周期短等等，然而它不適合工業(yè)化大批量生產(chǎn)。7.擬遇到的問題可能遇到的問題好多，但是歸納一下也就只有下面1、2兩點(diǎn)，3是我在認(rèn)真思考之后很沉重地寫下的。 1）.數(shù)據(jù)處理問題。 2）.曲面重構(gòu)問題。 3）.逆向工程很難了解到產(chǎn)品最初的設(shè)計(jì)思想。8.我通過逆向工程能做到的事情用逆向工程做的事情只有通過逆向工程比較容易實(shí)現(xiàn)的事情而已，如果正向更簡單的話就用不著逆向了。而且為了讓研究方向來得更清晰，效果顯著，所以我想通過逆向工程反求生活中常見、常使用的東西。如飲料罐，通過逆向工程得到飲料罐的數(shù)據(jù)，重建其三維實(shí)體模型，再進(jìn)行修改點(diǎn)、曲線、曲面。使飲料罐在容積不變的