快速成型的概述及应用

快速成型的概述及应用 汤 伟 湖南工业大学机械工程学院 摘要：随着逆向工程技术的不断发展，逆向工程已经成为联系新产品开发过程中各种先 进技术的纽带，被广泛应用于家用电器、汽车、摩托车、飞机、模具等产品的改型与创新 设计，成为消化、吸收先进技术，实现新产品快速开发的重要技术手段。特别是随着现代 计算机技术及测试技术的发展 ，使得逆向工程逐渐成为现代设计的最先进和有效的手段。 正文：逆向工程，有的人也叫反求工程，英文是 reverse engineering。它是以实物（产品） 、 软件、图纸、程序、技术文件、影像（图片、照片）作为研究对象，应用现代设计理论方 法、生产工程学、材料学和有关专业知识（测量学、信号自动处理）进行系统深入的分析 和研究，是一种快捷的新产品开发技术。 逆向工程的工作原理 快速成型技术(RP)的成型原理是基于离散-叠加原理而实现快速加工原型或零件.这里所 说的快速加工原型是指能代表一切性质和功能的实验件,一般数量较少,常用来在新产品试制 时作评价之用.而这里所说的快速成型零件是指最终产品,已经具有最佳的特性,功能和经济 性. 逆向工程在 CAD/CAM 系统中的作用逆向工程技术不是一个孤立的技术，它和测量技 术及现有 CAD/CAM 系统有着千丝万缕的联系。但是在实际应用过程中，由于大多数工程 技术人员对逆向工程技术不够了解，将逆向工程技术与现有 CAD/CAM 技术等同起来，用 现有 CAD/CAM 系统的技术水平要求逆向工程技术，往往造成人们对逆向工程技术的不信 任和误解。 从理论角度分析，逆向工程技术能够按照产品的测量数据重建出与现有 CAD/CAM 系统完 全兼容的三维模型，这是逆向工程技术的最终实现目标。但是我们应该看到，目前人们所 掌握的技术，包括工程上的和纯理论上的（如曲面建模理论） ，都还无法满足这种要求。特 别是针对目前比较流行的大规模“点云”数据建模，更是远未达到可以直接在 CAD 系统中应 用的程度。因此我们认为，目前逆向工程 CAD 技术与现有 CAD/CAM 系统的关系只能是 一种相辅相成的关系。现有 CAD/CAM 系统经过几十年的发展，无论从理论还是实际应用 上都已经十分成熟，在这种状况下，现有 CAD/CAM 系统不会也不可能为了满足逆向工程 建模的特殊要求变更系统底层。另一方面，逆向工程技术中用到的大量建模方法完全可以 借鉴现有 CAD/CAM 系统，不需要另外搭建新平台。 基于这种分析，我们认为逆向工程技术在整个制造体系链中处于从属、辅助建模的地位， 逆向工程技术可以利用现有 CAD/CAM 系统，帮助其实现自身无法完成的工作。有了这种 认识，我们就可以明白为什么逆向工程技术（包括相应的软件）始终不是市场上的主流， 而大多数 CAD/CAM 系统又均包含逆向工程模块或第三方软件包这样一种情况。 逆向工程工作流程： 1、逆向工程是以一个物理零件或模型作为开始，进而决定下游工程。 2、点处理过程：主要包括多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。 3、曲线处理过程：决定所要创建的曲线类型。曲线可以设计得与点的片段相同，或让曲线 更光滑些；由已存在的点创建出曲面；检查修改曲线，检查曲线与点或其它曲线的精确 度、平滑度与连续的相关性。 4、曲面处理过程：决定所要创建的曲面类型，可以选择创建的曲面以精确为主或以光滑为 主，或两者居中；由点云或曲线创建曲面；检查修改曲面，检查曲丽与点或其它曲面或 特征的精确度、平滑度与连续的相关性。 5、误差分析：应该考虑被测物对机构引起的综合轨迹误差、逆向工程设计所依据的数据值 存在的测量误差、设计中的被测物存在的加工误差、设计中的曲线拟合存在的拟合误差等 方面。 逆向工程技术的常用软件 目前，比较著名的逆向工程软件如下： 1、Geomagic(美国 RainDrop 公司的) 逆向工程软件，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。 2、Imageware 作为 UG NX 中提供的逆向工程造型软件。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 级 曲面(CLASS A)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 公司系列产品)，主要处理测量数据的曲面造型。DELCAM 的产品涵盖了从设计到制造、检测的全过程；包括 PowerSHAPE、Power- MILL、PowerINSPECT 、ArtCAM、CopyCAD、PS-TEAM 等诸多软件产品。CopyCADM 系列中的其它软件可以很好地集成。 4、RapidForm(韩国 INUS 公司开发 )逆向工程软件，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完成艺术品的测景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。 以上介绍的是常见逆向工程软件，均是国外的。国内在逆向工程软件方面的研究主 要集中在高等学校(如清华大学、浙江大学、南京航空航天大学) ，也有软件产品出现，但 是由于系统稳定性、可操作性等原因，这些研究性软件还没具备与国外商业化软件竞争的 条件。由国内逆向工程领域专业人士参与开发的逆向工程软件 QuickForm 是较好的一个： 该系统采用先进的几何引擎，运行稳定性好，并有良好的可操作性。由于开发人员具有丰 富的逆向工程实施经验因此系统的功能设置、操作方式符合国内用户的习惯，这是国外 软件所无法具备的。QuickForm 还具有价格优势，QuickForm 的价格在同类软件中具有极 强的竞争力；采用国产软件也是对国内制造业和软件行业的支持。 逆向工程的研究与发展 1980 年始欧美国家许多学校及工业界开始注意逆向工程这块领域。1990 年初期包括 台湾在内，各国学术界团队大量投入逆向工程的研究并发表成果。 逆向工程的硬件最早是 运用仿制加工设备，制作出来的成品品质粗糙。后来有接触式扫瞄设备，运用探针接触工 件取得产品外型。再来进一步开发非接触式设备，运用照相或激光技术，计算光线反射回 来的时间取得距离。逆向工程软件部分品牌包括 Surfacer(Imageware)、 ICEM、CopyCAD、Rapid Form 等。逆向软件的演进约略可区分为三个阶段。十一年前在 逆向工程上，只能运用 CATIA 等 CAD/CAM 高阶曲面系统。市场后来发展出两套主流产 品约在七、八年前技术成熟，广为业界引用。到最近四年来，发展出不同以往的逆向工程 数学逻辑运算，速度快。 逆向工程在台湾的发展轨迹持续在进行，工研院曾写过一套逆向工程软件，学术界不 少研究团队也将逆向工程领域作为研究主题，开发出具不同功能的系统软件，但是最后这 些软件都没有真正落实到产业界应用。工研院的团队后来也结束逆向工程研究，转而开发 其它主题。原有的研发成果后继无人，殊为可惜。 1998 年，NEWPOWER 启动了逆向工程的一些项目，要求是把客户的现有 源代码转变 成设计， 如果需要的话，进一步转化成产品需求规约。这恰恰与类似于 V 模型的标准开 发过程模型相逆。这样一来，客户就可以容易地维护他们的产品（需求，设计，源代码等 等） ，而不需要想以前那样，每次改动产品都需要直接修改源代码。 它是指从实物上采集大量的三维坐标点，并由此建立该物体的几何模型，进而开发出 同类产品的先进技术。逆向工程与一般的设计制造过程相反，是先有实物后有模型。仿形 加工就是一种典型的逆向工程应用。目前，逆向工程，逆向工程的应用已从单纯的技巧性 手工操作，发展到采用先进的计算机及测量设备，进行设计、分析、制造等活动，如获取 修模后的模具形状、分析实物模型、基于现有产品的创新设 计、快速仿形制造等。 通俗说，从某种意义上说，逆向工程就是仿造。这里的前提是默认我们传统的设计制 造为“正向工程（当然，没有这种说法） ”。 软件的逆向工程是分析程序，力图在比源代码更高抽象层次上建立程序的表示过程，逆向 工程是设计的恢复过程。逆向工程工具可以从已存在的程序中抽取数据结构、体系结构和 程序设计信息。 逆向工程的应用 1.1 新零件的设计 在工业领域中，有些复杂产品或零件很难用一个确定的设计概念来表达，或为 r 与客户 交流，以获得优化的设计，设计者常常通过创建基于功能和分析需要的一个物理模型，来 进行复杂或重要零部件的设计，然后用逆向工程方法从物理模型构造出 CAD 模型，在该 模型的基础卜可以作进一步的修改，实现产品的改型或仿型设计。 1.2 已有零件的复制 在缺乏二维设计图样或者原始设计参数情况下，需要将实物零件转化为产品数字化模型， 从而通过逆向工程方法对零件进行复制，以再现原产品或零件的设计意图。并可利用现有 的计算机辅助分析(CAEl、计算机辅助制造(CAM)等先进技术，进行产品创新设计。 1.3 损坏或磨损零件的还原 当零件损坏或磨损时，可以直接采用逆向工程方法重构该零件 CAD 模型，对损坏的 零件表面进行还原或修补。从而可以快速生产这些零部件的替代零件，从而提高设备的利 用率并延长其使用寿命。 1.4 模型精度的提高 设计者基于功能和美学的需要对产品进行概念化没计，然后使用一些软材料，例如木 材、石膏等将设计模型制作成实物模型，在这个过程中，由于对初始模型改动得非常大， 没有必要花大量的时间使物理模型的精度非常高，可以采用逆向工程的方法进行模型制作、 修改和精练，提高模型的精度，直到满足各种要求。 1.5 数字化模型的检测 对加工后的零件进行扫描测量，再利用逆向工程方法构造出 CAD 模型，通过将该模 型与原始设计的 CAD 模型在计算机上进行数据比较，可以检测制造误差，提高检测精度。 1.6 特殊领域产品的复制 如艺术品、考古文物的复制，医学领域中人体骨骼、关节等的复制，具有个人特征的 太空服、头盔、假肢的制造时需要首先建立人体的几何模型，这些情况下都必须从实物模 型出发得到产品数字化模型。 2、逆向工程技术在模具行业中的应用 从逆向工程的概念和技术特点可以看出，逆向工程的应用领域主要是飞机、汽车、玩具和 家电等模具相关行业。近年来随着生物、材料技术的发展，逆向工程技术也开始应用在人 工生物骨骼等医学领域。但是其最主要的应用领域还是在模具行业。由于模具制造过程中 经常需要反复试冲和修改模具型面。若测量最终符合要求的模具并反求出其数字化模型， 在重复制造该模具时就可运用这一备用数字模型生成加工程序，可以大大提高模具生产效 率，降低模具制造成本。 逆向工程技术在我国，特别是以生产各种汽车、玩具配套件的地区、企业有着十分广阔的 应用前景。这些地区、企业经常需要根据客户提供的样件制造出模具或直接加工出产品。 在这些企业，测量设备和 CAD/CAM 系统是必不可少的，但是由于逆向工程技术应用不够 完善，严重影响了产品的精度以及生产周期。因此，逆向工程技术与 CAD/CAM 系统的结 合对这些企业的应用有重要意义。这一点我们在多年的技术服务过程中深有体会。一方面 各个模具企业非常欢迎在企业推广逆向工程技术，但另一方面又苦于缺乏必要的指导和合 适的软件产品。这种情况严重制约了逆向工程技术在模具行业的推广。 与 CAD/CAM 系统在我国几十年的应用时间相比，逆向工程技术为工程技术人员所了解只 有十几年甚至几年的时间。时间虽短，但逆向工程技术广泛的应用前景已经为大多数工程 技术人员所关注，这对提高我国模具制造行业的整体技术含量，进而提高产品的市场竞争 力具有重要的推动作用。 3、 逆向工程是实现创新设计的重要途径 在经济全球化的压力下，国家、企业面临的竞争日趋激烈，市场竞争机制已渗透到各个领 域，随着科学技术的高度发展，科技成果的应用已成为推动生产力发展和社会进步的重要 手段。如何更快、更好地发展科技和经济，世界各国都在研究对策，充分利用别国的科技 成就加以消化吸收与创新，进而发展自己的技术已成为普遍的手段。 由于技术保密，除非购买转让，否则要获得产品的图样、技术文档、工艺等技术资料几乎 是不可能实现的，而产品实物作为商品和最终的消费品，是最容易获得的一类“研究”对象。 在只有产品原型或实物模型条件下，可以基于产品实物逆向工程对产品零件进行生产制造， 除实现对原型的仿制外，通过重构产品零件的 CAD 模型，在探询和了解原设计技术的基 础上，实现对原型的修改和再设计，以达到设计创新、产品更新之目的。对于其他具有复 杂曲面外形的零部件，逆向工程更成为其主要的设计方式。 事实证明，技术引进是吸收国外先进技术，促进民族经济高速度增长的战略措施，战 后日本通过仿制美国及欧洲的产品，在采取各种手段获取先进的技术和引进技术的消化和 吸收的基础上，建立了自己的产品创新设计体系，使经济迅速崛起，成为仅次于美国的制 造大国。据有关统计资料表明，各国百分之七十以上的技术都是来自外国，要掌握这些技 术，正常的途径都是通过逆向工程。实际上任何产品问世，不管是创新、改进还是仿制， 都蕴涵着对已有科学、技术的继承