先進制造技術產品逆向工程西南交大.

1、先進制造技術第四章 產品逆向工程一.逆向工程概述1. 正向工程 一般工業(yè)產品開發(fā)是從確定預期功能與規(guī)格目標開始，構思產品結構，然后進行每個零部件的設計、制造以及檢驗，再經過裝配、性能測試等程序完成整個開發(fā)過程，每個零部件都有設計圖紙，按確定的工藝文件加工。這種開發(fā)模式稱為預定模式（prescriptive model），此類開發(fā)工作稱為正向工程（forward engineering）或正向設計，產品正向開發(fā)的流程如圖所示。一. 逆向工程概述先進制造技術2.逆向工程 逆向工程（Reverse Engineering 簡稱RE），又稱反求工程或逆向設計，是將已有產品模型（實物模型）轉化為工程設計

2、模型和概念模型，并在此基礎上進行工程分析和再創(chuàng)新設計的一種方法和應用技術，可有效提高產品的技術水平，縮短設計周期，增強產品競爭力，是消化、吸收先進技術，進而創(chuàng)新和開發(fā)各種新產品的重要手段。逆向工程作為吸收先進技術的一種手段，使產品研制周期縮短百分之四十以上。掌握逆向工程技術，對我國國民經濟的發(fā)展、科學技術水平的提高和企業(yè)快速響應市場能力的提升，具有重要的工程意義。一.逆向工程概述先進制造技術 逆向工程通常是對某一實物樣件或模型（稱為零件原型，如汽車的外形、鞋楦模等）進行仿制。 一.逆向工程概述先進制造技術 目前，針對已有樣件（尤其是包含有復雜不規(guī)則自由曲面的樣件），可利用三維數(shù)字化測量儀器準確

3、、快速地測量出產品外形數(shù)據(jù)，在逆向軟件中構建曲面模型，再輸入CAD/CAM系統(tǒng)進一步編輯、修改，由CAM生成刀具NC代碼（加工路徑）送至數(shù)控機床（CNC）制作所需模具，或者由快速成型機（RP）將樣品模型制作出來。一.逆向工程概述先進制造技術 逆向工程主要包括以下四個步驟：(1) 零件原型的數(shù)字化(2) 零件原型的特征識別與提取(3) 零件原型CAD模型的重建(4) CAD模型的檢驗與修正一.逆向工程概述先進制造技術 逆向工程大致應用在以下幾種情況：(1) 許多使用粘土或泡沫模型代替CAD設計的情況，最終需要運用逆向工程將這些實物模型轉換為CAD模型。(2) 外形設計師傾向使用產品的比例模型，以

4、便于產品外形的美學評價，最終可通過運用逆向工程技術將這些比例模型用數(shù)學模型表達，通過比例運算得到美觀的真實尺寸的CAD模型。(3) 需要通過實驗來最終確定零件的形狀，(4) 藝術品、考古文物的復制。一.逆向工程概述先進制造技術一.逆向工程概述(5) 人體中的骨頭和關節(jié)等的復制、假肢制造。(6) 特種服裝、頭盔的制造要以使用者的身體為原始設計依據(jù)，此時，需首先建立人體的幾何模型(7) 在快速原型制造（RPM）中，逆向工程的最主要表現(xiàn)為：通過逆向工程，可以方便地對快速原型制造的原形產品進行快速、準確的測量，找出產品設計的不足，進行重新設計，經過反復多次迭代可使產品完善。先進制造技術 反求工程的關鍵

5、技術有: 數(shù)據(jù)測量技術、數(shù)據(jù)預處理技術、模型重構及產品制造技術。(1) 數(shù)據(jù)測量技術 反求工程中數(shù)據(jù)測量方法主要分為兩種:一種是傳統(tǒng)的接觸式測量法，如三坐標測量機法；另一種是非接觸測量法，如投影光柵法、激光三角形法、工業(yè)CT 法、核磁共振法(MRI)、自動斷層掃描法等。只有獲取了高質量的三維坐標數(shù)據(jù)，才能生成準確的幾何模型。所以，測量方法的選取是反求工程中一個非常重要的問題。(2) 數(shù)據(jù)預處理技術 對得到的測量數(shù)據(jù)在CAD 模型重構之前應進行數(shù)據(jù)預處理，主要是為了排除噪聲數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)、精簡和歸并冗余數(shù)據(jù)，通常包括:噪聲點過濾數(shù)據(jù)點分區(qū)數(shù)據(jù)點精簡數(shù)據(jù)點平滑。一.逆向工程概述先進制造技術(3)

6、模型重構及產品制造技術 通過重構產品零件的CAD 模型，在探詢和了解原設計技術的基礎上，實現(xiàn)對原型的修改和再設計，以達到設計創(chuàng)新、產品更新之目的，同時也可以完成產品或模具的制造。一.逆向工程概述先進制造技術1. 逆向工程系統(tǒng)組成(1) 測量測頭分接觸式和非接觸式(2) 測量機有三坐標測量機、多軸關節(jié)式機械臂及激光追蹤站等。(3) 數(shù)據(jù)處理軟件(4) 模型重建軟件 (5) CAE軟件(6) 數(shù)控加工設備(7) 快速原型機(8) 產品批量生產設備二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理2. 測量方式 逆向工程多用三維立體測量，具體有：接觸式測量與非接觸式測量。(1) 接

7、觸式測量 接觸式測量的優(yōu)點有： 接觸式測量不受樣件表面的反射特性、顏色及曲率影響，配合測量軟件，可快速準確地測量出物體的基本幾何形狀，如面、圓柱、圓錐、圓球等。接觸式測量的機械結構及電子系統(tǒng)已相當成熟，有較高的準確性和可靠性。先進制造技術 接觸式測量的缺點有： 確定測量基準點而使用特殊的夾具，測量費用較高。 測量系統(tǒng)的支撐結構存在靜態(tài)及動態(tài)誤差。 檢測某些輪廓時，可能會有先天的限制。 以逐點進出方式進行測量，測量速度慢。 測頭尖端部分與被測件之間發(fā)生局部變形影響測量值的實際讀數(shù)。 不當?shù)牟僮魅菀讚p害樣件,也會使測頭磨耗、損壞。二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術 采用接觸式測頭測量時，由于

8、測頭半徑的影響，得到的坐標數(shù)據(jù)并不是測頭所觸及的表面點的坐標，而是測頭球心的坐標， 如要求得物體真實外形則需要對測頭半徑進行補償二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術(2) 非接觸式測量 非接觸光學測量有如下優(yōu)點： 沒有測量力 測量速度和采樣頻率較高。 不必進行測頭半徑的補償。 不少光學測頭具有大的量程。 同時探測的信息豐富。二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術 但非接觸式測量也還存在一些缺點： 測量精度較差。 使用CCD作探測器時，成像鏡頭的焦距會影響測量精度。 非接觸式測頭是接收工件表面的反射光或散射光，測量結果易受環(huán)境光線及工件表面的反射特性的影響，噪聲較高，噪聲信號的處理比較麻煩

9、。二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術激光掃描儀三坐標測量機測量方式非接觸式接觸式 測量精度10100 m1 m傳感器光電接收器件 開關器件測量速度100012000點秒人工控制（較慢）前置作業(yè)通常表面需噴漆，無基準點設定坐標系統(tǒng)，校正基準面工件材質無限定硬質材質測量死角光學陰影處及光學焦距變化處工件內部不易測量 誤差隨曲面變化大 部分失真 優(yōu)點測量速度快，曲面數(shù)據(jù)獲取容易；不必做測頭半徑補償；可測量柔軟、易碎、不可接觸、薄件、皮毛、變形細小等工件；無接觸力，不會傷害精密表面。 精度較高；可直接測量工件的特定幾何特征。缺點測量精度較差，無法判別特定幾何特征；陡峭面不易測量，激光無法照射到的

10、地方亦無法測量；工件表面與測頭表面不垂直，則測得的誤差變大；工件表面的明暗程度會影響測量的精度。需逐點測量，速度慢；測量前需做半徑補償；接觸力大小會影響測量值；接觸力會造成工件及測頭表面磨耗，影響光滑度；傾斜面測量時，不易補償半徑，精度低；測量工件內部時，形狀尺寸會影響測量值。 二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術3. 測量設備(1) 坐標測量機 坐標測量機（Coordinate Measuring Machine，簡稱CMM）是一種精密的三坐標測量儀器，三坐標測量機可分為主機、測頭、電氣系統(tǒng)三大部分。三坐標測量機的組成二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術三坐標測量機的主機結構二. 逆

11、向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術 CMM是典型的接觸式測量系統(tǒng)，一般采用觸發(fā)式接觸測量頭，一次采樣只能獲取一個點的三維坐標值。 使用CMM時必須設定較多參數(shù)。一般來說，掃描方向與模型陡峭面成正交為佳。由于工件表面形狀不一，故常常要將工件分成不同的區(qū)域，使用不同的參數(shù)掃描。若測量復雜形狀的工件，則比較耗時。 CMM主要優(yōu)點是測量精度高，適應性強，但一般接觸式測頭測量效率低，而且對一些軟質表面無法進行測量。二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術(2) 多軸關節(jié)式機械臂 機械臂（Robot）也屬于接觸式測量儀。這種測量

12、機幾乎不受方向限制，可在工作空間做任意方向的測量。精度不高為其主要缺點，一般常用于大型鈑金件模具的逆向工程測量。(3) 激光掃描測量儀 激光掃描測量儀用于非接觸式測量。四自由度激光掃描測量儀工作臺具有線性位移及旋轉的功能，可帶動CCD測頭做逐線掃描，并配合工件的旋轉完成多角度掃描的功能，基本上只要決定點的密度、掃描范圍即可，若遇到不感光或是全反射的表面，則必須噴漆或另外處理。二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術(4) 激光跟蹤測量系統(tǒng) 激光跟蹤測量系統(tǒng)屬球坐標式測量儀器此類設備較適合做大型物體輪廓的測量，如飛機或汽車外型等。二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術(a)硬式測頭 (b)觸發(fā)

13、式測頭 (c)模擬式測頭4. 接觸式測頭及工作原理 硬式測頭（Hard Probe或Mechanical Probe）、觸發(fā)式測頭（Touch Trigger Probe）及模擬式測頭（Analog Probe）等三種。二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術(1) 硬式測頭 硬式測頭即機械測頭，硬測頭多用于精度要求不太高的小型測量機中，成本較低、操作簡單。(2) 觸發(fā)式測頭 觸發(fā)式測頭采用電子開關機構，觸發(fā)信號由電子開關控制，其重復性、準確性均較高，可達1m以內，不受人為因素影響.二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術(3) 模擬式測頭 模擬式測頭接觸工件時會有側向位移，光柵尺被感應，產生

14、電壓變化，此模擬電壓信號轉換成數(shù)字信號送入處理器記錄下來，這種測量方式稱為模擬式測量。二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術5. 非接觸式測頭及其工作原理 非接觸式測頭一般用于不規(guī)則曲面的測量。非接觸式測主要以光學測頭為主，隨著光電子技術的發(fā)展，光學測頭已經是探測技術的一個重要發(fā)展方向。 光學測頭一般是基于三角法測量原理。二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術（a）點測量（）點測量（b）線測量（）線測量（c）面測量）面測量二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術(a)直射式結構(b)斜射式結構1激光器；2匯聚透鏡；3被測表面；4接收透鏡；5光電探測器

15、(1) 三角法位移測量原理 單點式激光三角法測量有直射式和斜射式兩種結構。二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術(2) 立體視覺測量技術 立體視覺測量是根據(jù)同一個三維空間點在不同空間位置的兩個（或多個）攝象機拍攝的圖像中的視差，以及攝象機之間位置的空間幾何關系來獲取該點的三維坐標值。立體視覺測量面臨的最大困難是空間特征點在多幅數(shù)字圖象中提取與匹配的精度與準確性等問題。二. 逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術 產品外形數(shù)據(jù)是通過坐標測量儀來獲取的，一方面，無論是接觸式的數(shù)控測量機還是非接觸式的激光掃描機，不可避免地會引入數(shù)據(jù)誤差， 尤其是尖銳邊和產品邊界附近的測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)中的壞點，可能使

16、該點及其周圍的曲面片偏離原曲面。同時由于實物幾何和測量手段的制約，在數(shù)據(jù)測量時，會存在部分測量盲區(qū)和缺口，給后續(xù)的造型帶來影響。所以需要對測量數(shù)據(jù)進行平滑處理、不同方位測量的多視數(shù)據(jù)進行對齊定位、不同特征區(qū)域的數(shù)據(jù)進行分割。三. 測量數(shù)據(jù)預處理技術先進制造技術1. 數(shù)據(jù)平滑 數(shù)據(jù)平滑的目的是消除測量噪聲，以得到精確的模型和好的特征提取效果。三. 測量數(shù)據(jù)預處理技術先進制造技術2. 多視數(shù)據(jù)對齊定位 在逆向工程實際過程中，對實物樣件進行數(shù)字化時，往往不能在同一坐標系下將產品的幾何數(shù)據(jù)一次測出。得到的數(shù)據(jù)為多次測量數(shù)據(jù)。 對激光掃描測量，需要從不同的角度對樣件的各個面，以及樣件局部進行放大掃描，以

17、獲取樣件的多視點云。通常為處理方便，將兩種情況的數(shù)據(jù)都稱為多視數(shù)據(jù)或點云，由于在幾何模型構建時必須將這些不同坐標系下的多視數(shù)據(jù)變換或統(tǒng)一到同一個坐標系中，這個數(shù)據(jù)處理過程稱為多視數(shù)據(jù)的對齊(Registration)，或數(shù)據(jù)拼合、重定位等。三. 測量數(shù)據(jù)預處理技術先進制造技術3. 數(shù)據(jù)分割 數(shù)據(jù)分割是根據(jù)組成實物外形曲面的子曲面的類型，將屬于同一子曲面類型的數(shù)據(jù)成組， 數(shù)據(jù)分割方法分為基于測量的分割和自動分割兩種方法。 測量的分割:適合于曲面特征比較明顯的實物外形和接觸式測量，操作者的水平和經驗對結果將產生直接影響。 自動分割:基于邊,基于面。三. 測量數(shù)據(jù)預處理技術先進制造技術 在逆向工程中

18、，實物的三維CAD模型重建是整個過程最關鍵、最復雜的一個環(huán)節(jié)，因為后續(xù)的產品加工制造、快速原型制造、虛擬制造仿真、工程分析和產品的再設計等應用都需要CAD數(shù)學模型的支持，這些應用都不同程度地要求重建的CAD模型能準確的還原實物樣件，所以點數(shù)據(jù)的處理、曲面的構建方式以及完整的修編和分析等功能，是逆向工程曲面模型重建相當重要的部分。四. 模型重建技術先進制造技術1. 曲線擬合造型(1) 曲線擬合（插值與逼近） 逼近:樣條曲線四. 模型重建技術先進制造技術(2) 曲線修編 對曲線進行修形操作，修補由于測量數(shù)據(jù)的不完整帶來的擬合曲線缺陷;具有完整、連續(xù)、光滑的特點，以保證生成曲面的光順性。(3) 基于

19、曲線的曲面重建 在曲線造型完成后，可以通過不同曲面造型方法，進行曲面模型的重建工作，主要的曲面造型方式有：邊界曲線、N邊曲面、平行曲面、掃掠、混合、旋轉、拉伸（Extend）和直紋面等。四. 模型重建技術先進制造技術四. 模型重建技術先進制造技術2. 曲面擬合造型 直接對測量數(shù)據(jù)點進行曲面片擬合，獲得曲面片后，經過過渡、混合、連接形成最終的曲面模型，曲面直接擬合造型既可以處理有序點，也能處理點云數(shù)據(jù)。四. 模型重建技術先進制造技術3. 曲面編輯 曲面延伸、曲面修剪、曲面參數(shù)重新定義等，四. 模型重建技術先進制造技術4. 模型精度的評價(1) 模型精度評價指標 整體指標;局部指標。(2) 模型精

20、度評價方法 高斯曲率 (Guassian Curvature)、截面曲率(Section Curvature)、切矢(Slope ) 、雙向曲率（Porcupine) 、法向矢量(Normals)。四. 模型重建技術先進制造技術 曲面的連續(xù)性大致分為位置連續(xù)、切線連續(xù)與曲率連續(xù)。 位置連續(xù)（0階連續(xù)） 切線連續(xù)（1階連續(xù)） 曲率連續(xù)（2階連續(xù)） 四. 模型重建技術先進制造技術5. 逆向工程軟件 專業(yè)的逆向工程軟件:英國DelCAM公司產品 CopyCAD、美國Imageware 公司的Surfacer、美國Raindrop公司的Geomagic、英國MDTV公司的STRIM。 CAD/CAM集

21、成系統(tǒng)中也開始集成了類似功能模塊，如Pro/Engineer中的Pro/Scantools 和 ICEM Surf模塊、UG中的 PointCloud功能、Cimatron中的Reverse Engineering功能模塊等，這些系統(tǒng)可以接受有序點，也可以接受點云數(shù)據(jù)，極大地方便了設計人員，但與專業(yè)的逆向工程軟件相比，它們的功能相當有限。四. 模型重建技術先進制造技術1. 快速原型技術的基本過程(1) 構造產品的三維CAD模型 應用三維CAD軟件(如Pro/E、UG、Solid Works等) 設計三維模型；采用逆向工程技術獲取產品的三維模型。(2) 三維模型的近似處理 用一系列小三角形平面來

22、逼近模型上的不規(guī)則曲面，從而得到產品的近似模型。(3) 三維模型的Z向離散化(即分層處理) 將近似模型沿高度方向分成一系列具有一定厚度的薄片，提取層片的輪廓信息。五. 快速原型技術(4) 處理層片信息，生成數(shù)控代碼 根據(jù)層片幾何信息，生成層片加工數(shù)控代碼，用以控制成形機的加工運動。(5) 逐層堆積制造 在計算機的控制下，根據(jù)生成的數(shù)控指令，RP系統(tǒng)中的成形頭(如激光掃描頭或噴頭)在X-Y平面內按截面輪廓進行掃描，固化液態(tài)樹脂(或切割紙、燒結粉末材料、噴射熱熔材料)，從而堆積出當前的一個層片，并將當前層與已加工好的零件部分粘合； 成形機工作臺面下降一個層厚的距離，再堆積新的一層；如此反復進行，直到整個零件加工完畢。(6) 后處理 對完成的原型進行處理，如深度固化、去除支撐、修磨、著色等，使之達到要求。五. 快速原型技術2. 快速原型技術的特點(1) 快速性 通過STL 格式文件，快速成型制造系統(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