機(jī)械大作業(yè)課件

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)姓名：魏清志

學(xué)號(hào)：B080203214/2/20231第7章反求工程與創(chuàng)新設(shè)計(jì)反求工程

4/2/20232反求工程(ReverseEngineering,RE)也稱逆向工程、反向工程,是指用一定的測(cè)量手段對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行測(cè)量,根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)三維幾何建模方法重構(gòu)實(shí)物的CAD模型的過(guò)程是一個(gè)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(guò)程。

4/2/20233反求工程是消化吸收先進(jìn)技術(shù)的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合。反求工程以先進(jìn)產(chǎn)品或設(shè)備的實(shí)物、軟件(圖樣、程序、技術(shù)文件等)或影像(圖片、照片等)作為研究對(duì)象，應(yīng)用現(xiàn)代科技方法和相關(guān)專業(yè)知識(shí)對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的分析和研究，反求其設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方法、技術(shù)訣竅和制造過(guò)程等諸多關(guān)鍵技術(shù)，以迅速實(shí)現(xiàn)其國(guó)產(chǎn)化，進(jìn)而快速開發(fā)制造出同類高附加值、高技術(shù)水平的新產(chǎn)品。所謂“逆向”，是針對(duì)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。

4/2/20235在機(jī)械制造領(lǐng)域應(yīng)用多年的仿制技術(shù)，是反求工程的發(fā)展基礎(chǔ)。反求工程不是傳統(tǒng)意義上的“仿制”，而是基于原型的再設(shè)計(jì)。從應(yīng)用目標(biāo)來(lái)看，實(shí)物仿制的著眼點(diǎn)在于制造出與實(shí)物相同的產(chǎn)品；而反求工程的著眼點(diǎn)則在于對(duì)原始設(shè)計(jì)的還原與再設(shè)計(jì)，而后制造出和原有實(shí)物“形似”而且“神似”的產(chǎn)品；反求工程更強(qiáng)調(diào)集百家之長(zhǎng)，在原有技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新和開拓延伸，形成更高層次的新技術(shù)或新產(chǎn)品。

4/2/20236反求工程要求對(duì)引進(jìn)技術(shù)進(jìn)行消化、吸收和創(chuàng)新的深化開發(fā)，做到既能有效地使用它，還能逐步掌握和發(fā)展它，實(shí)現(xiàn)由生產(chǎn)使用為主，向吸收、開發(fā)為主的轉(zhuǎn)變，最終形成自主的技術(shù)開發(fā)體系。4/2/20237反求工程（逆向工程）的應(yīng)用領(lǐng)域在沒有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，在對(duì)零件原形進(jìn)行測(cè)量的基礎(chǔ)上形成零件的設(shè)計(jì)圖紙或CAD模型，并以此為依據(jù)利用快速成型技術(shù)復(fù)制出一個(gè)相同的零件原型。

4/2/20239反求工程（逆向工程）的應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)要設(shè)計(jì)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試才能定型的工件模型時(shí)，通常采用反求工程的方法。如航天航空領(lǐng)域，為了滿足產(chǎn)品對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)等要求，首先要求在初始設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)各種性能測(cè)試（如風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等）建立符合要求的產(chǎn)品模型，這類零件一般具有復(fù)雜的自由曲面外型，最終的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯⒊蔀樵O(shè)計(jì)這類零件及反求其模具的依據(jù)。4/2/202310反求工程（逆向工程）的應(yīng)用領(lǐng)域在美學(xué)設(shè)計(jì)特別重要的領(lǐng)域，例如汽車外型設(shè)計(jì)廣泛采用真實(shí)比例的木制或泥塑模型來(lái)評(píng)估設(shè)計(jì)的美學(xué)效果，而不采用在計(jì)算機(jī)屏幕上縮小比例的物體投視圖的方法，此時(shí)需用反求工程的設(shè)計(jì)方法。修復(fù)破損的藝術(shù)品或缺乏供應(yīng)的損壞零件等，此時(shí)不需要對(duì)整個(gè)零件原型進(jìn)行復(fù)制，而是借助反求工程技術(shù)抽取零件原形的設(shè)計(jì)思想，指導(dǎo)新的設(shè)計(jì)。這是由實(shí)物逆向推理出設(shè)計(jì)思想的一種漸近過(guò)程。

4/2/202311反求工程（逆向工程）四個(gè)階段第一步:零件原形的數(shù)字化

通常采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)或激光掃描儀等測(cè)量裝置來(lái)獲取零件原形表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。第二步:從測(cè)量數(shù)據(jù)中提取零件原形的幾何特征

按測(cè)量數(shù)據(jù)的幾何屬性對(duì)其進(jìn)行分割，采用幾何特征匹配與識(shí)別的方法來(lái)獲取零件原形所具有的設(shè)計(jì)與加工特征。

4/2/202313反求工程（逆向工程）四個(gè)階段第三步:零件原形CAD模型的重建

將分割后的三維數(shù)據(jù)在CAD系統(tǒng)中分別做表面模型的擬合，并通過(guò)各表面片的求交與拼接獲取零件原形表面的CAD模型。第四步:重建CAD模型的檢驗(yàn)與修正

采用根據(jù)獲得的CAD模型重新測(cè)量和加工出樣品的方法來(lái)檢驗(yàn)重建的CAD模型是否滿足精度或其他試驗(yàn)性能指標(biāo)的要，對(duì)不滿足要求者重復(fù)以上過(guò)程，直至達(dá)到零件的逆向工程設(shè)計(jì)要求。

4/2/2023144/2/202315層析法層析法是近年來(lái)發(fā)展的一種反求工程逆向工程技術(shù)將研究的零件原形填充后，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位置截面的內(nèi)外輪廓數(shù)據(jù)，并將其組合起來(lái)獲得零件的三維數(shù)據(jù)。層析法的優(yōu)點(diǎn)在于任意形狀，任意結(jié)構(gòu)零件的內(nèi)外輪廓進(jìn)行測(cè)量，但測(cè)量方式是破壞性的。

4/2/202317非接觸式逆向工程測(cè)量方法

非接觸式測(cè)量根據(jù)測(cè)量原理的不同，大致有光學(xué)測(cè)量、超聲波測(cè)量、電磁測(cè)量等方式。

4/2/202318非接觸式逆向工程測(cè)量方法

基于光學(xué)三角型原理的逆向工程掃描法

這種測(cè)量方法根據(jù)光學(xué)三角型測(cè)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(cè)物體表面采用光電敏感元件在另一位置接收激光的反射能量根據(jù)光點(diǎn)或光條在物體上成象的偏移，通過(guò)被測(cè)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

4/2/202319非接觸式逆向工程測(cè)量方法

基于工業(yè)CT斷層掃描圖像逆向工程法

這種測(cè)量方法對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行斷層截面掃描,以X射線的衰減系數(shù)為依據(jù)，經(jīng)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(duì)被測(cè)物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和形狀進(jìn)行無(wú)損測(cè)量。該方法造價(jià)高，測(cè)量系統(tǒng)的空間分辨率低，獲取數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備體積大。美國(guó)LLNL實(shí)驗(yàn)室研制的高分辨率ICT系統(tǒng)測(cè)量精度為0.01mm。

4/2/202321非接觸式逆向工程測(cè)量方法

立體視覺測(cè)量方法

立體視覺測(cè)量是根據(jù)同一個(gè)三維空間點(diǎn)在不同空間位置的兩個(gè)（多個(gè)）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(lái)獲取該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。立體視覺測(cè)量方法可以對(duì)處于兩個(gè)（多個(gè)）攝象機(jī)共同視野內(nèi)的目標(biāo)特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，而無(wú)須伺服機(jī)構(gòu)等掃描裝置。立體視覺測(cè)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(wèn)題。4/2/202322應(yīng)用領(lǐng)域

(1)新零件的設(shè)計(jì)，主要用于產(chǎn)品的改型或彷型設(shè)計(jì)。

(2)已有零件的復(fù)制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖。

(3)損壞或磨損零件的還原。

(4)數(shù)字化模型的檢測(cè)，例如檢驗(yàn)產(chǎn)品的變形分析、焊接質(zhì)量等，以及進(jìn)行模型的比較。

4/2/202323應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)領(lǐng)域工業(yè)產(chǎn)品的檢測(cè)與測(cè)量、產(chǎn)品及模具的逆向工程(汽車，航空，家電工業(yè))

零部件形狀變形檢測(cè)、形狀測(cè)量、研究測(cè)量、工業(yè)在線檢測(cè)

工業(yè)產(chǎn)品造型中的逆向三維重構(gòu)

設(shè)計(jì)物理模型轉(zhuǎn)換到數(shù)字模型

工業(yè)產(chǎn)品及零部件的質(zhì)量檢測(cè)

工業(yè)品的解析與仿制

工業(yè)研究實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)工具

模具設(shè)計(jì)與檢測(cè)領(lǐng)域

4/2/202325某汽車模具廠現(xiàn)場(chǎng)掃描的實(shí)例

三維掃描儀對(duì)物體多方位多角度進(jìn)行拍攝

利用被測(cè)物體表面的特征點(diǎn)或者標(biāo)記點(diǎn)自動(dòng)拼接后獲得的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行除噪、取樣后獲得高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取特征線、邊界線

逆向軟件中建成模型

在逆向件中數(shù)模對(duì)比分析，檢驗(yàn)產(chǎn)品

4/2/202326實(shí)例4/2/202329實(shí)例4/2/202330整車

保險(xiǎn)杠車門引擎蓋汽車座椅汽車工業(yè)4/2/2023313C產(chǎn)品CPU風(fēng)扇手機(jī)掌上電腦鍵盤4/2/202332運(yùn)動(dòng)用品、鞋類運(yùn)動(dòng)頭盔高爾夫球頭楦頭鞋底4/2/202333醫(yī)學(xué)HandHand-bone4/2/202334HeadTeeth4/2/202335反求工程常用軟件美國(guó)Imageware

公司產(chǎn)品Surfacer7.1、英國(guó)DelCAM公司產(chǎn)品

CopyCAD、英國(guó)MDTV公司的STRIMand

Surface

Reconstruction、在一些流行的CAD/CAM集成系統(tǒng)中也開始集成了類似模塊，Cimatron90中的Reverse

Engineering功能模塊等。在我國(guó)，有關(guān)反求工程的研究與開發(fā)工作也在不少單位內(nèi)展開，如浙江大學(xué)、華中理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等，并取得一定的成果，如浙江大學(xué)推出了Re-Soft軟件系統(tǒng)。

4/2/202336三角測(cè)量原理三角測(cè)量法硬件由線激光發(fā)生器、ＣＣＤ攝像頭、圖像采集卡、相應(yīng)的連接線與電源以及微型計(jì)算機(jī)組成。如果采用兩個(gè)參數(shù)完全相同的ＣＣＤ攝像頭對(duì)稱放置,可以減少測(cè)量盲區(qū),提高測(cè)量精度。三角測(cè)量法利用基準(zhǔn)面、像點(diǎn)、物距、像距等之間的關(guān)系計(jì)算物體的Ｚ坐標(biāo)值(如圖所示)。4/2/202337激光線掃描原理圖圖中,ｉ—入射光,Ｌ—透鏡,Ｎ—成像屏,ｕ—透鏡Ｌ的物距,ｖ—透鏡Ｌ的像距,Ｏ—Ｌ光軸與入射光線ｉ的交點(diǎn),Ａ—物面上的光點(diǎn),Ａ’,Ｏ’分別是Ａ、Ｏ的像點(diǎn),ｈ—物面上光點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)面的Ｍ高度,α—入射光線與光軸的夾角,Ｍ’—目標(biāo)平面,Ｍ—參考平面。4/2/202338根據(jù)透鏡成像原理,以入射光與透鏡光軸交點(diǎn)所在平面Ｍ為基準(zhǔn)面,則光點(diǎn)Ａ相對(duì)于基準(zhǔn)面Ｍ的高度ｈ的計(jì)算公式為:

式中:ｕ、ｖ、α是系統(tǒng)參數(shù),都是固定值,