反求工程論文

1、反求工程在快速成型技術中的應用姓名： 孔 敏 班級： 材碩 1407班 學號： M201470922 摘要摘要: 闡述了反求工程與快速成型技術的基本概念, 分析了反求工程中數(shù)據(jù)處理的主要內容, 總結了反求工程和快速成型技術的關鍵技術及一體化的特點, 并通過實例說明了逆向工程在快速成型中應用, 證實了該方法的有用性和可靠性。最后展望了其應用前景。關鍵詞: 反求工程; 快速成型; 數(shù)據(jù)處理; 應用AbstractAbstract: The basic concept of reverse engineering and rapid prototyping is elaborated. The da

2、ta processing in reverse engineering is analyzed. The key technology and the integration characteristics is summarized. An example of application of reverse engineering in rapid prototyping is introduced. The method is useful and reliable. In the end, its prospect of application is illustrated.Key w

3、ords: reverse engineering; rapid prototyping; data processing; application目錄1 RE 的基本概念及測量原理11.1 RE 的基本概念11.2 激光三角法測量原理12 反求工程技術23 反求工程數(shù)據(jù)處理的主要內容33.1 數(shù)據(jù)處理33.2 反求工程與快速成型的數(shù)據(jù)交換34 反求工程與快速成型一體化44.1 三維數(shù)據(jù)采集44.2 三維模型重構和關鍵技術44.2.1 三維模型重構44.2.2 關鍵技術44.3 一體化應具備的特點55 國內外反求工程技術的研究應用現(xiàn)狀66 反求工程應用實例77 RE 技術研究的發(fā)展趨勢8結束語

4、9參考文獻10 1 RE 的基本概念及測量原理1.1 RE 的基本概念RE 是指根據(jù)現(xiàn)有的樣本，利用三維數(shù)字化測量設備準確、快速地獲取其輪廓坐標，經CAD 的三維曲面編輯和重構后，輸入到CAD/CAM 系統(tǒng)，再由CAM 產生刀具的NC 加工程序代碼送至數(shù)控加工設備（CNC）加工設備制作所需的模具，或者送到快速成型機將樣品制作出來的過程。1.2 激光三角法測量原理RE 測量方法主要有接觸式測量法、非接觸式測量法和逐層掃描法。非接觸式測量法又分為極線約束法、投影光柵法和激光三角形法等，本文以當前比較流行的三角測量法為例進行介紹。應用三角原理進行測量的硬件系統(tǒng)主要由圖像采集卡、連接線（電纜）、線激光

5、發(fā)生器電源、CCD 攝像頭和微型計算機等組成。為了提高測量精度，減少測量時產生的盲區(qū)，應將兩個參數(shù)相同的CCD 攝像機對稱放置。三角測量法通過基準平面、物距、像距及像點等之間的對應關系，計算目標的Z 坐標值，如圖1 所示。 激光器 圖1 激光三角測量原理圖2 反求工程技術反求工程技術(Reverse Engineering, RE) 又稱逆向工程技術, 是以產品及設備的實物、軟件( 圖樣、程序及技術文件) 或影像(圖片、照片)等作為研究對象, 反求出初始的設計意圖。簡單說, 反求就是對存在的實物模型或零件進行測量并根據(jù)測量數(shù)據(jù)重構出實物的CAD 模型, 進而對實物進行分析、修改、檢驗和制造的過

6、程1。這里所指的反求是實物反求。反求工程是快速成型制造的重要數(shù)據(jù)來源之一, 將反求工程與快速成型技術相結合, 能夠在已有樣件或原型的基礎上進行復仿制, 進行迅速評價、修改和產品的創(chuàng)新再設計, 并自動快速地將設計轉化為具有相應結構和功能的原型產品或直接制造出零部件, 縮短新產品的設計和研制周期, 降低新產品的研制成本和風險, 從而快速響應市場需求, 提高企業(yè)競爭力2。作為一種處理難以用CAD 設計的零件模型以及表面形狀極不規(guī)則的產品模型的最有利的土具, 可以實現(xiàn)零件的快速三維復制、CAD 建模和快速制造。它與快速成型的結合形成了一個設計、制造、檢測的快速設計制造閉合系統(tǒng)。本文主要討論反求工程和快

7、速成型的一些技術, 并舉出實例。3 反求工程數(shù)據(jù)處理的主要內容3.1 數(shù)據(jù)處理構造CAD 幾何模型前, 反求工程大致分三個階段: 首先對已有三維實體模型進行數(shù)據(jù)采集(又稱零件數(shù)字化) , 生成數(shù)據(jù)“點云”; 然后對數(shù)據(jù)“點云”進行濾波去噪處理, 去除點云數(shù)據(jù)中的“壞點”; 最后通過曲面構造技術對數(shù)據(jù)點云進行曲面擬合, 生成三維曲面模型。3.2 反求工程與快速成型的數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)交換主要包括以下方面: 用反求技術直接生成STL 文件, 供RP 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件直接使用, 產生代碼; 利用反求技術生成層片文件-CLI(Common Layer Interface)文件, 這種輸出比較適用于對各種C

8、T 圖像的反求, 并且由于RP 本身就是分層制造法, 用斷層圖像或矢量化的層片輪廓信息直接驅動RP 設備逐層疊加而成三維實體; 利用反求技術來重構出實體模型, 借助于CAD 系統(tǒng)來轉化成STL 文件。對于快速成型技術來說, 反求工程目的之一在于獲得產品的幾何造型與結構數(shù)據(jù), 通過各種三維數(shù)字化儀得到零件造型和結構數(shù)據(jù)后, 可以借助三維重構技術在CAD 軟件中重新編輯( 修改和縮放) , 再轉換成G-Code 或STL 文件, 供快速原型制造設備使用, 從而可直接加工制作出相應的模具、模型或零件。4 反求工程與快速成型一體化4.1 三維數(shù)據(jù)采集目前先進的快速成型技術進行的前提就是有成型對象的三維

9、模型數(shù)據(jù)。所以物體三維表面測量及重建技術是以上技術實現(xiàn)的第一個步驟, 有著重要的理論意義和實際意義。測量物體表面的數(shù)據(jù)點并再現(xiàn)物體形狀, 將其應用于制造等領域一直是人們所追求的。三維數(shù)據(jù)的獲取方法分為兩大類, 接觸式與非接觸式測量方法: 接觸式測量方法通過傳感測量頭與樣件的接觸而記錄樣件表面的坐標位置, 可以細分為點觸發(fā)式和連續(xù)式數(shù)據(jù)采集方法;非接觸式測量方法主要是基于光學、聲學、磁學等領域中的基本原理, 將一定的物理模擬量通過適當?shù)乃惴ㄞD化為樣件表面的坐標點。根據(jù)測量原理的不同, 大致有光學測量、超聲波測量、電磁測量等方式, 這種方法的一個應用是三維掃描技術, 它是一種立體測量技術。與傳統(tǒng)的

10、技術相比,能夠完成復雜形體的點、面、形的三維測量, 能進行高精度的快速無接觸測量。4.2 三維模型重構和關鍵技術4.2.1 三維模型重構在重建過程中存在許多干擾和不確定性因素, 如表格誤差、測量精度和方式、數(shù)據(jù)處理方式、表面重構方式等。反求工程是基于已有實物模型或零件的測量數(shù)據(jù)的情況下, 進行物體CAD 模型重建的過程。通常, 需要進行人工干預來調整重構模型的表面參數(shù)。因此, 整個反求工程過程是一個推理和判斷的過程。從曲面的三維采樣點集恢復出曲面的幾何模型稱之為曲面重建。目前, 在反求工程中, 主要有3 種曲面構造方案: 以B-Spine 或NURBS 曲面為基礎的曲面構造方案; 以三角Bez

11、ier 曲面為基礎的曲面構造方案; 以多面體方式來描述曲面物體。曲面重構的關鍵技術, 包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)篩選、曲線擬合、曲面擬合等。在曲面重構過程中, 既要保證曲面質量, 又要保證設計精度。4.2.2 關鍵技術曲面分層是曲面成形的關鍵技術之一。曲面分層是以一系列的曲面與CAD 模型求交。分層曲面如何確定是分層技術中的關鍵之一。曲面成形是為了解決小傾斜度表面的臺階誤差問題, 所以分層曲面需根據(jù)零件表面來確定。第二是要根據(jù)關鍵曲面, 構造更多的中間分層面, 以保證層與層之間不會出現(xiàn)超出系統(tǒng)成型能力的厚度。成形控制技術是曲面成形的另一個關鍵技術。目前在曲面成形方面有以下幾個問題需要解決: 構造分層曲

12、面, 包括確定曲面和構造過渡曲面; 分層算法?，F(xiàn)有分層算法用平面和CAD 模型求交, 而曲面和CAD 模型的求交算法則很復雜; 噴頭運動軌跡控制。由于制造層片增加時增加了厚度層, 需使用三軸聯(lián)動的運動控制系統(tǒng), 同時噴頭的運動還要避免已成原形, 防止破壞; 材料輸送匹配。需要根據(jù)噴頭速度和成形高度實時控制材料的擠出量, 消除過堆和欠堆。4.3 一體化應具備的特點一個與快速成型技術完全匹配的反求系統(tǒng)應具備關鍵的七個特點: 測量速度快, 精度高(±10m); 能測量內外輪廓, 最好不破壞樣件; 能把測量數(shù)據(jù)轉換成CAD 模型; 具有把CAD 模型文件轉換成STL 文件的功能并能直接切片;

13、 能自動化測量, 且成本低; 不受或盡量不受外界條件和環(huán)境的限制; 能測量各種材質、形狀且具有不同物理性能的物體。5 國內外反求工程技術的研究應用現(xiàn)狀RE 和RP 技術的應用領域廣泛，應用價值巨大，世界主要工業(yè)發(fā)達國家的相關部門紛紛投入巨資研發(fā)和應用RE 和RP 技術。他們都是從面向未來世界制造業(yè)全球競爭的戰(zhàn)略高度來對待這一技術。20 世紀90 年代中后期，國內的一些大型企業(yè)，如科龍、新飛、海爾等先后從國外購買了快速成型設備。目前，RE 和RP 技術在航空航天、造船、機械、工業(yè)設計、建筑、兒童玩具、家電、林業(yè)測繪、3C 產業(yè)、輕工、醫(yī)藥、工藝品制作、汽車等許多領域均有廣泛的應用，且應用范圍也隨

14、著技術的不斷發(fā)展和完善在不斷拓展。目前進入我國市場的RE 測量設備主要有英國3D-Scanner 公司的激光掃描儀、美國FARO 公司的Focus 3D 大空間三維激光掃描儀、德國GOM 公司的ATOS（光柵照相式） 高精度非接觸三維逆向掃描設備等。這些測量設備功能強大，但價格非常昂貴。我國自加入WTO 以來經濟穩(wěn)定發(fā)展，市場經濟體制逐步得到完善，同時企業(yè)也面臨著前所未有激烈的國內外市場競爭。各行業(yè)中產品的生命周期不斷縮短，更新速度越來越快，在家電、輕工、汽車、機械等領域尤為明顯，因此，縮短設計、開發(fā)和生產制造系統(tǒng)的周期就成為必然要求。在國際市場上，中國制造業(yè)的競爭能力仍然較差，主要原因之一是

15、對市場的快速反應能力不強，交貨時間較長。目前，我國政府、企業(yè)和高校對反求技術應用及研究的重視程度在不斷提高。近年來，國內的一些高等院校，如華中科技大學、天津大學、西安交大、清華大學等都在積極開展RE 測量設備的研制開發(fā)，并占據(jù)了相當?shù)氖袌龇蓊~。國內該類產品的價格相對較低，并且在功能上不斷改進完善，在這一領域具有巨大發(fā)展?jié)摿透偁幜Α? 反求工程應用實例利用反求工程對實物汽車引擎蓋進行三維重構, 具體步驟是:(1) 點云的采集利用三坐標ATOS 測量機生成的引擎蓋自由曲面的掃描數(shù)據(jù)點云, 如圖2(a) 2) 創(chuàng)建曲線這里應用軟件Imageware 對噴頭做點云數(shù)據(jù)進行處理, 對讀入的點云進行曲線

16、編輯和修改, 使曲線均勻并且兼容, 如圖2( b) 。( 3) 生成曲面對曲面進行編輯、驗證和修飾, 如圖2( c) 。( 4) 對生成的曲面進行誤差分析其實質是對生成的曲面與點云數(shù)據(jù)進行對比分析, 比較曲面與點云數(shù)據(jù)的誤差, 如圖2(d)。(5)汽車引擎蓋膠模制作采用西安交通大學先進制造技術研究所研制開發(fā)的激光快速成型機(LaserPrototypingSystem)SPS-600 制作光敏樹脂原型,采用光固化樹脂在成型機里進行澆注, 此過程主要以快速成型制作的原型作為母模進行硅橡膠模的制作。其工藝流程為:將母模放入型框,在真空澆注機中注入混合好的液態(tài)硅橡膠, 再放到烘箱中固化, 便得到硅橡

17、膠模。按照零件的復雜程度設計分模面,將硅橡膠模切割成上下兩塊, 取出母模便制作完畢。當需要復制原型時, 尤其對于批量不大的塑件生產, 可以采用RP原型快速翻制的硅橡膠模具通過樹脂材料真空注型來實現(xiàn)。這里將快速成型技術與鑄造工藝的結合使得快速成型技術與鑄造技術兩者的優(yōu)點均得到充分的發(fā)揮。7 RE 技術研究的發(fā)展趨勢（1）數(shù)據(jù)測量方面:研發(fā)專用的反求測量設備，能進行自動測量和路徑規(guī)劃，實現(xiàn)高速、高精度的產品幾何形狀的3D 數(shù)字化。（2）數(shù)據(jù)的預處理方面:研發(fā)一種能針對各種類型測量數(shù)據(jù)通用的處理軟件，以優(yōu)化現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理算法。（3）集成技術方面:發(fā)展集模型重建技術、測量技術、基于網(wǎng)絡的協(xié)同設計和數(shù)字

18、化制造技術等于一身的反求技術。（4）基于光學三角原理的激光線掃描法：采用接觸式測量是反求技術中傳統(tǒng)的測量方法，盡管這種方法具有較高的測量精度，但還存在一些固有的缺陷，如有的工作表面由于受測頭的限制而無法測量，測量速度不高，被測零件的表面容易被劃傷等。計算機技術和光電技術的不斷發(fā)展，為采用激光非接觸測量法提供了便利。這種測量方法可有效解決測頭半徑補償問題，能實現(xiàn)高速的三維測量。激光測量方式主要包括點掃描、線掃描和光柵掃描等。目前，基于三角原理的激光線掃描法在快速成型制造中應用最廣泛，也是將來的發(fā)展趨勢。結束語基于RP 技術的快速模具制造由于技術集成度高,從CAD數(shù)據(jù)到物理實體轉換過程快,制模成本

19、低,精度和模具壽命能滿足某種特定的功能需要, 綜合經濟效益良好,特別適用于新產品開發(fā)試制、工藝驗證和功能驗證。反求工程是處理難以用CAD 設計的零件模型以及表面形狀極不規(guī)則的產品模型的最有利的工具, 可以實現(xiàn)零件的快速三維復制、CAD 建模和快速制造。較之于規(guī)則曲面零件, 復雜曲面零件的設計、加工、精度檢驗等信息的獲取要復雜得多, 通常采用反求工程技術來完成。今后, 在產品快速設計開發(fā)和復雜型面的快速成型方面將產生重大的意義?？傊?反求技術為快速設計和制造提供了很好的技術支持,它已經成為制造業(yè)信息傳遞重要而簡潔的途徑之一。隨著新的快速成型技術的不斷出現(xiàn), 快速制模技術也在不斷發(fā)展,并將成為快速制造的重要組成部分。參考文獻1 王光春, 趙國群. 快速成型與快速磨具制造技術及其應用M. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2003.2 劉偉軍. 快速成型技術及應用M. 北京: 機械工業(yè)出版社,2005. 1