逆向工程及快速原型制造

学 院机电工程学院专 业机械工程年级班别学 号学生姓名指导教师2017年7月逆向工程与快速原型制造技术1. 逆向工程1.1 逆向工程的定义逆向工程技术(Reverse Engineering ,RE) ，反求工程、反向工程等，它的思想 最初是来自从油泥模型到产品实物的设计过程，随后发展形成一项以先进产品、设 备的实物、样件、软件(包括图样、程序、技术文件等)或影像(图像、照片等) 作为研究对象，应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系 统分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品的技术。 作为消化吸收先进技术的一种手段，在 21世纪 90年代初，逆向工程技术开始引起 各国工业界和学术界的高度重视，特别是随着现代计算机技术及测试技术的发展， 利用 CAD/CAM 技术、先进制造技术来实现产品实物的逆向工程，已成为逆向工 程技术应用的主要内容。传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，我们称之为正向工 程(或顺向工程)，而产品的逆向工程是根据产已有的品(或零件)生成图样，再 得 到产品(或零件)的模型，并以此对已有的产品进行剖析、理解、改进，是对已 有 设计的再设计。另一方面，在产品开发和制造过程中，虽已广泛使用计算机几何 造 型技术，但是仍有许多产品，由于种种原因，最初并不是由计算机辅助设计(Computer Aided Design , CAD)模型，描述的，设计和制造者面对的是实物样 件。为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定途径将实物样件转化为 CAD 模型， 以期利用计算机辅助制造(Computer Aided Manufacture， CAM)、快速原型制 造和快速模具(Rapid Prototyping Manufacture/Rapid Tooling， RPM/RT)、产品数据 管理(Product Data Management， PDM)及计算机集成制造系统(Computer Integrate Manufacture System， CIMS)等先进技术对其进行处理或管理。“实物逆 向工程”(简称逆向工程)又可定义为：逆向工程是和将实物转变为CAD模型相 关 得数字化技术、集合模型重建技术和产品制造技术的总称。1.2 逆向工程的原理逆向工程(Reverse Engineering,RE)是对产品设计过程的一种描述。在工程技 术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程，即设计人员首先在大 脑中构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后通过绘制图纸建立产品的三 维数字化模型，最终将这个模型转入到制造流程中，完成产品的整个设计制造周期 这样的产品设计过程我们称为“正向设计”过程。逆向工程产品设计可以认为是一 个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品模 型，反向推出产品设计数据(包括设计图纸或数字模型)的过程。从这个意义上说 逆向工程在工业设计中的应用已经很久了。早期的船舶工业中常用的船体放样设计 就是逆向工程的很好实例。随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化 测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要 对象。逆向工程技术可以认为是将产品样件转化为三维模型的相关数字化技术和几 何建模技术的总称。逆向工程大致分为五个步骤：(1) 设计前的准备工作。设计之前应确定设计的整体思路，对实物模型进行系 统的分析，划分出模型的特征区，确定模型的基本构成形状的曲面类型，这些关系 到相关软件的选择和软件模块的确定；(2) 零件原形的数字化。根据测量对象的特点确定扫描方法以及扫描设备，利 用 3D 扫描测量设备来获取零件实物表面点的三维坐标值；(3) 提取零件的几何特征。按测量数据的几何属性对其进行分割，分割方法一 般可分为两类，一类是基于边界分割法，一类是基于区域分割法。区域分割法将相 似几何特征的点划为同一区域，具有明确的几何意义，是较为常用的分割方法；(4) 零件CAD模型的重建。将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模 型的拟合，并通过表面片的拼接获取零件实物表面的 CAD 模型；(5) 重建 CAD 模型的检验与修正。由于测量得到的数据点往往存在一些数字 误差，所以需要对曲面或曲线进行光顺处理，提高曲面质量。另外还要检验重建的CAD 模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满足要求的应进行适当 的调整修改，直至达到零件的标准。实物模型数字化测量数据处理zNC数据生 成NC加工三维重构STL文件快速原型逆向工程流程图1.2.1 数字化测量曲面的数字化就是在样件表面提取点的坐标值并将其以二维或三维数据点集的 形式存放起来的过程。曲面的数字化涉及的主要内容是数据测量问题，数据测量方 法主要依据测量设备（数字化测量仪）的不同而不同。目前逆向工程所用曲面的数 字化就是在样件表面提取点的坐标值并将其以二维或三维数据点集的形式存放起来 的过程。曲面的数字化涉及的主要内容是数据测量问题，数据测量方法主要依据测 量设备（数字化测量仪）的不同而不同。目前逆向工程所采用的数字化测量仪主要 有机械接触式坐标测量机、光学坐标测量机、激光坐标测量机。除此之外，还有工 业CT等断层扫描设备也广泛应用于逆向工程系统中。根据不同的测量设备以及获取 数据的不同方法，我们可以把测量分为接触式和非接触式两大类。1.2.2 数据处理数据处理是逆向工程的一个重要的技术环节，它决定了 CAD模型重建过程是 否能够方便、准确地进行。使用测量设备测取的三维几何坐标数据都是一些离散点 的点云数据，其中存在着噪声点，所以还需要相应的软件来处理点云数据。点云数 据的处理包括噪声去除、多视对齐、数据精简、数据光顺、数据分割等诸多方面。 目前比较常用的逆向工程软件有：Geomagic。美国RainDrop （雨点）公司的逆向工程CAD软件，具有丰富的数据处理手段，可以根据测量数据快速构造出多张连续的曲面模型。处理复杂形状或 自由曲面形状时，效率比传统CAD软件提高了 10倍。另外还可为新兴应用提供理 想的选择，如定制设备大批量生产、即定即造的生产模式以及原始零部件的自动重 造。（2）Imageware。作为UG NX中提供的逆向工程造型软件，ImageWare具有强大 的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能。可以处理几万至几百万的点云数据。 根据这些点云数据构造的A曲面（CLASSA）具有良好的品质和曲面连续性。ImageWare的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数 据之间的误差以及平面度、真圆度等几何公差。（3）CopyCAD。英国DelCam公司系列CAD产品中的一个，主要处理测量数据 的曲面造型。作为一个系列产品的一部分，CopyCAD与系列中的其他软件可以很 好地集成，为用户的使用提供方便。（4）RapidForm。韩国INUS公司开发的逆向工程CAD软件。主要用于处理测 量、扫描数据的曲面建模以及基于 CT 数据的医疗图像建模，还可以完成艺术品的 测量建模以及高级图形生成。 RapidForm 提供一整套模型分割、曲面生成、曲面检 测的工具，用户可以方便地利用以前构造的曲线网格经过缩放处理后应用到新的模 型重构过程中。1.3 逆向工程的应用逆向工程是一个迅速发展的学科，它覆盖了许多应用领域，概括起来有以下一 些具体应用：（1）基于实物模型的产品外形设计。当设计师难以直接用计算机进行某些物 体如复杂的艺术造型、人体和其他动植物外形等的三维几何设计时，常用黏土、木 材或泡沫塑料进行初始外形设计（概念设计 ），这就需要通过逆向工程将实物模型 转化为三维CAD模型。（2）对现有产品的局部修改。由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，经 常要对已有的产品做局部修改。在原始设计没有三维 CAD 模型的情况下，若能将 实物构件通过数据测量与处理产生与实际相符的 CAD 模型，对 CAD 模型进行修 改以后再进行加工，将显著提高生产效率。因此，逆向工程在改型设计方面可以发 挥不可替代的作用。（3）对无法得到图纸的已有产品数字化。传统产业的产品往往无图纸可用， 需要采用逆向工程的方法来实现传统产品的数字化。因此逆向工程技术是改造传统 产业，推动产品更新换代，带动产业结构升级的重要手段。（4）对以已有产品为基准点进行的设计。借鉴别人的成功设计并在此基础上 进 行产品再创新设计是在剧烈竞争的市场中赶超同类行业先进水平的一个重要捷径， 也是当今的一条新的设计理念。（5）磨损或损坏物体的还原。某些大型设备，如航空发动机、汽轮机组等， 常会因为某一零部件的损坏而停止运行，通过逆向工程手段，可以快速生产这些零 部件的替代件，从而提高设备的利用率和使用寿命。（6）医学模型制作。逆向工程系统可通过 CT、MRI 等临床检测手段获取人 体扫描的分层截面图像，并将数据传送至 RPM 系统，制作出人体局部或内脏器官 的模型。（7）工业产品无损探伤。借助于层析X射线摄影法（CT技术），逆向工程还 可以快速发现、度量、定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤的重要手 段。（8）产品的检测。通过逆向工程技术，利用 CAD 信息自动生成测量程序， 通过三坐标测量机完成对产品的测量任务，获得测量结果再与 CAD 信息进行比较 来评价产品的加工准确度。2. 快速原型制造2.1 快速原型制造的定义速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing， RPM）是一种基于离散和材料 累加原理的制造新技术。该技术突破了制造业的传统模式，特别适合于新产品的开 发、单件或少批量产品试制等，是CAD/CAM技术、数据处理技术、CNC技术、 测试传感技术、激光技术等多种机械、电子技术、材料技术和计算机软件技术的综 合应用，是由 CAD 模型直接驱动、快速实现复杂形状三维零件的先进制造技术， 在计算机控制和管理下根据零件 CAD 模型，采用材料精确堆积 （由点堆积成面， 由面堆积成三维实体） 的方法制造原型和零件。2.2 快速原型制造的原理理和成形过程是：将计算机产生的 CAD 实体模型，根据工艺要求，按一定厚 度进行分层，把原来的三维电子模型经分层切片软件处理，形成一系列薄截面层形 状的二维平面信息；再将分层后的二维信息生成数控代码，以平面加工方式有顺序 地连续加工出每层模型并使它们自动粘结成形。这种快速成形制造是一种全新的生 产方法，其原理突破了传统的“材料变形成形”和“去除成形”的工艺方法，可在 没有工装夹具或模具的条件下，迅速制造出任意复杂形状的三维实体零件，成形之 后，再经必要的处理，使其在外观、强度和性能方面达到零件的设计要求。它彻底 摆脱了“去除法”加工的传统制造理念，采用全新的“生长法”加工组合，为制造 业带来了一次技术革命。因此被认为是 20 世纪末制造技术领域的一次重大突破， 并有可能成为21 世纪的主流制造技术。快速原型制造过程快速成型技术与传统方法相比具有独特的优点：(1) 产品制造过程几乎与零件的复杂程度无关，可实现自由制造 (Free FormFabrication)；(2) 产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产；(3) 采用非接触加工方法，无工具更换和磨损；(4) 无切割噪声和振动等，有利于环保；(5) 整个生产过程数字化，与 CAD 模型具有直接的关联，零件可大可小，可随时修改，随时制造，所见即所得；(6) 生产效率高，使CAD模型转换为物理模型的时间缩短80%500%以上。随 着快速原型机广泛应用于工业生产中，各种快速成型技术随之产生。包括：立体印刷(SLA)，分层实体制造(LOM)，选择性激光烧结(SLS)，熔化沉积成形(FDM),激光固化成型(LSL)，固基光敏液相法(SGC),三维打印(3D P)，喷粒 法(BPM)等，这些RPM技术的共同特征是由材料逐层累加直接从CAD数据生成 产品模型。3. 快速原型制造中的逆向工程快速原型制造中的逆向工程，就是通过各种手段对实物进行三维测量，获得样 件的数据，包括结构、功能、材料等，输入到计算机中进行处理，利用测量数据建 立其三维 CAD 模型。借助逆向工程、快速原型制造技术可以用来快速复制实物， 包 括放大、缩小、修改等，也可以对已有产品进行创新设计。还可以方便地对快速 原 型制造技术本身制得的原型产品进行快速、准确得测量，用来验证由三维 CAD 设计 而制零件与原设计得吻合程度，找出产品设计中的不足，重新设计，使产品更 加完 善，由此可见，在快速原型制造中引入逆向工程，形成快速设计制造的闭环反 馈系 统，能够充分发挥快速原型制造系统的优势，拓宽其应用领域，一般的快速原 型制 造系统都有配套的逆向工程系统。逆向技术在RP中的应用主要涉及3个方面：(1) 用逆向技术直接生成STL文件，供RP系统的数据处理软件直接使用，产生 NC 代码；(2) 利用逆向技术生成层片文件一CLI文件，这种输出比较适用于对各种CT的 逆向，并且由于RP本身就是分层制造法，用断层图像或矢量化的层片轮廓信息直 接驱动RP设备逐层叠加而成三维实体，这种应用技术也是目前学术界研究最活 跃 的领域之一；(3) 利用逆向技术来重构出实体模型，借助于CAD系统来转化成STL文件。对于快速原型制造技术来说，逆向工程目的之一在于获得产品的几何造型与结 构数据，通过各种三维数字化仪得到零件造型和结构数据后，可以借助三维重构技 术在CAD软件中重新编辑(修改和缩放)再转换成GCode或STL文件为快速原 型制造设备使用，从而可直接加工制作出相应的模具、模型或零件。