（机械电子工程专业论文）逆向工程在汽车覆盖件成形技术上的应用.pdf

逆向工程在汽车覆盖件成形技术中的应用 摘要 随着现代计算机技术及测量技术的发展，利用c a d c a m 技术，先进制造技 术来实现产品实物的逆向工程，已成为c a d c a m 领域的一个研究热点，并成为 逆向工程技术应用的主要内容。本文首先论述逆向工程两大环节：测量和后处 理，测量是逆向工程的首要任务，也就是如何获取工程人员所要的点数据，以 用于后续模型的重建。后处理是逆向工程最重要，最繁杂的一环，主要由点数 据的处理，曲面的构建及修边等组成。然后探讨汽车覆盖件的成形特点，汽车 覆盖件大都是三维空间曲面，质量要求高，其冲压成形中的变形复杂，变形规 律不易掌握，影响质量问题的原因错综复杂，很难给出工艺设计和模具设计的 具体参数。最后通过大型c a d c a m 软件p r o e 来探讨逆向工程在汽车覆盖件成 形巾应用，包括汽车覆盏件曲面模型的构建，汽车覆盖件模具的生成和汽车覆 盖件模具的数控仿真加工。利用逆向工程作为产品制造的一种手段，可以将附 合要求的汽车覆盖件零件进行测量并反求出零件和模具的c a d 模型，而且还可 以进一步的生成数控加工代码，这样大大提高了汽车覆盖件模具的生产效率， 减少修模量，降低了模具制造成本，为吸收引进国外先进技术来加快国家汽车 1 业的发展提供一种途径。 关键词：逆向工程点数据曲面重构汽车覆盖件数控仿真加工 t h ea p p l i c a t i o no fr e v e r s ee n g i n e e r i n gi nt h ef o r m i n g t e c h n i q u eo f t h ea u t o m o t i v e p a n e l a b s t r a c t t o g e t h e rt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h em e a s u r i n g t e c h n 0 1 0 9 y ，t h e r e v e r s e e n g i n e e r i n go ft h er e a li z a t i o np r o d u c t i o nb vt h e c a d c a mt e c h n o l o g ya n dt h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r et e c h n o i o g yb e c o m eo n eo ft h e h o t s p o t inc a d c a ma r e aa n di st h e p r i m a r yc o n t e n to ft h ea p p li c a tio no ft h o r e v e r s ee n g i n e e r l n gt e c h n o l o g y f i r s t l ym e a s u r i n ga n dp o s tp r o c e s s i n gw h i c h a r et w om a l l lc o n t e n to ft h er e v e r s ee n g i n e e r i n ga r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r 【no r d e rt o d or e v e r s e e 1 1 9 1 1 l e e r l n g ，t h em e a s u r i n gw a yi st h ec h i e ft a s ko f t h er e v e r s ee n 9 1 n e e r l n g ，a n d1 t l st h ef l r s ts t e pt og e t p o i n td a t ao ft h e s c a n n e dp a r t p o s tp r o c e s s i n gi st h em o s t i m p o r t a n ta n dm u l t if a r i o u si nt h e f e v e r s ee n 9 1 n e e r l n g ，1 r e l u d l n gp 0 i n td a t ap r o c e s s i n g ，s u r f a c ec o n s t r u c t i n g b o r d e rt r i m m i n ga n ds oo n t h ef o r m i n gp r o p e r t i e so ft h er e v e r s ee n g i n e e r i n g a r et h e nd i s c u s s e d t h ea u t o m o t i v ep a n e li sm o s t l ym a d eu po fc o m p l e xs u r f a c e i nt h et h r e e d i m e n s i o n s h i g h l y d e m a n d e di n q u a l i t y ，t r a n s f i g u r a t i o n i s c o m p l e xi np u n c h i n gp r o c e s s ，a n dt h er u l eo ft h e f e r m i n gc a nn o tb ee a s i t y h e l d t h ec a u s eo fq u a l i t yi sc o m p l e x t h em a t e r i a lp a r a m e t e ro ft h ec r a f t w o r k d e s i g na n dt h ed i ed e s i g nisg i v e no u t f i h a l l yb yt h em a i nt y p es o f t w a r ep r o e t h ea p p li c a t i o no fr e v e r s ee n g i n e e r i n gw h i c hi su s e d i nt h e f e r m i n go ft h e a u t e m o t iv ep a n e lis d i s c u s s e d w h i c hi n c l u d er e e o n s t r u c t i n go ft h es u r f a c e m o d e lo ft h ea u t o m o tiv ep a n e l ，m a k i n go ft h ed i eo ft h ea u t o m o t j v ep a n e la n d n u m e r i c a lc o n t r 0 1 m a c h i n i n g o ft h ea u t o m o t i v e p a n e l d i e t h er e v e r s e e n g i n e e r i n gjs c o n s id e r e do n em e a n so fm a n u f a c t u r e i tc a nm e a s u r et h ep a r t o ft h ea u t o m o t i v ep a n e la n dr e c o n s t r u c t it sm o d e l f u r t h e r m o r ei tc r e a t en c c o d e i nt h i sw a yi tw i l lg r e a t l yi m p r o v et h em a n u f a c t u r i n ge f f i c i e n c yo ft h e a u t o m o t iv ep a n e ld i e ，r e d u c et i m e so fr e p a i r i n gd i e r e d u c ec o s to ft h ed i e m a n u f a c t u r e t h ep a p e rs h o w sa na p p r o a c hb yl v h i c hi tc a nu s ea b r o a da d v a n c e d t e c h n o l o g ya n da c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to ft h ec a ri n d u s t r y k e yw o r d ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g p o i n tc l o u dd a t a s u r f a c er e c o n s t r u c t i n g a u t o m o t i v ep a n e ln u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n i n g 合肥工业大学 y7 4 6 8 0 8 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名 主席：剐孝本信舶工犬张 委员： f 以锣趁 冲1 日辜墨( 知卫 导师：讷山分 i 信移跌教报 舍船砍、禺螂授 舍札火副糨 唯互犬副教投 插图清单 图1 1 汽车覆盖件模具生产流程2 图1 2 汽车覆盖件设计的一般流程图。1 2 图2 一l 直射式结构1 4 图2 2 斜射式结构1 4 图2 3 三角测量法1 6 图2 4线结构光测量物体表面轮廓结构图1 7 图2 5 c c d 摄像机将视频信号转化成模拟的r s 1 7 0 信号1 7 图2 6数字图像处理系统示意图1 8 图2 7数字华的图像素数组相对于计算机屏幕坐标示意图1 9 图2 8对映函数法测量原理图1 9 图2 - 9摄像机小孔透视变换原理图2 2 图2 - 1 0点结构光视觉测量原理图2 5 图2 1 1 线结构光视觉测量原理2 6 图2 1 2 面条纹结构光测量原理2 8 图2 1 33 d d 扫描仪2 9 图2 1 4 扫描数据3 1 图2 l5覆盖件的点云图3 1 图3 一l用插值法拟合曲线3 7 图3 2测量点数据3 8 图3 3近似法拟合曲线3 8 图3 - 4输入点云数据4 6 图3 5填充后的点云图4 6 图3 6降低点密度的点云图4 7 图3 7包络处理的曲面模型4 7 图3 8小平面处理后的曲面4 8 图3 9多面体面曲率分析4 8 图3 1 0 处理前的图4 9 图3 1 1覆盖件零件图5 0 图3 1 2 零件曲率分析5 0 图4 1拉深模具二维装配图5 8 图4 2冲压方向5 9 图4 - 3轮廓曲面6 0 图4 4顶出垫曲面6 1 凸模曲面6 1 凸模实体6 2 顶出热实体6 2 顶出垫6 3 凸模6 ：3 手工编程的一般步骤6 5 自动编程的一般步骤6 6 p r o e 数控加工界面7 2 数控加工操作设置界面7 3 加工参数设置7 3 加工曲面的选取7 4 切削定义7 4 加工路径显示7 5 c l 数据文件7 5 m c d 文件数据7 6 上侧表面加工路径7 6 下侧表面加工路径7 8 5 6 7 8 9 l 2 3 4 5 6 1 c p 9 1 0 卜卜弘弘驴卜弘卜卜卜。卜孓 图图图图图图图图图图图图图图图图图 表格清单 表2 l 接触式钡4 最和非接触式测量的技术特点1 3 表4 一l 冲压性能参数和试验方法5 2 表5 - ip r o n o 予模块及其功能6 9 表5 - 2 后簧处理器7 l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金壁王些太堂 或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作糍：绀做签字啸p 瓣护垆 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金魍至、业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权金目曼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 鲋斌 签字日期：妒f 年争月7 日 通秘i 日发总和扎 导师签名：；泐4 参 签字日期：。r 年l ，月印日 电话： 邮编：砰了g 。 致谢 住两年半的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到了我的 老师谢峰的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到搜集资料，论文成稿，都 倾注了谢老师的心血，由衷的感谢谢老师在学业指导及各方面所给予我的关怀以及从 言传身教中学到为人品质和道德情操，谢老师广博的学识，严厉的治学作风诲人不 倦的教学情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受益，并将激励我勇往直前。 同时我还要特别感谢张崇高老师在学习和研究中对我的帮助和支持。再此还要 感谢何升立、李文彪、徐斌、韩慧等几位同学的大力支持。 衷心的感谢我的妻子俞丽和家人长久以来在背后默默的支持。 衷心的感谢所有关心、帮助、和鼓励过我的同事及同学。 作者： 2 0 0 5 谢斌 5 4 第一章绪论 1 1 汽车覆盖件冲压成形技术研究的内容 1 1 1 汽车覆盖件冲压成形技术 随着社会不断的发展，汽车已经成为人类社会不可缺少的工具，汽车工业 已经成为许多发达国家的支柱产业。同时汽车工业的发展水平也是衡量一个国 家技术水平的重要标志。 汽车覆盖件的生产是汽车制造的一个重要的生产过程，它不仅要具备所规 定的使用功能，而且要体现整车的艺术性，个性风格，所以在质量要求、冲压 成形工艺、冲压模具、冲压设备、生产自动化等方面部有与t 般的小型冲压件 不同的特点，这也将是我们研究汽车覆盖件冲压成形技术的重要内容。 1 1 2 研究汽车覆盖件冲压模具的意义与内容 汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之，汽车工业重点是发展零部 件、经济型轿车和重型汽车。随着市场需求的改变，汽车的更新换代速度日趋 加快，轿车一般为3 4 年，轻型车4 5 年，其它车型约为6 - 8 年。而作为汽车覆 盖件生产的关键工艺装备一一汽车覆盖件模具是制约汽车换型的瓶颈环节，其 设计、制造的速度将直接影响汽车工业的发展。在国际上，以日本丰田、美国 福特、德国大众等为代表的先进水平汽车制造业，几乎每年都要以更新车身车 型为主要标志的高品质汽车新产品投放市场。雨我国汽车车身新产品开发技术 仍相当落后，严重影响车身开发的品质与周期。这其中的重要原因之一就是车 身丌发的核心技术一一汽车覆盖件模具的设计制造能力远远无法与国外先进技 术相比拟，由于这种原因，目前轿车覆盖件模具大部分都靠进口。据统计，我 国2 0 0 1 年共进口模具1 1 1 2 亿美元，在进口模具中，其中冲压模具为4 3 1 亿美元， 占全部进口模具的3 8 8 ，绝大部分是国内供不应求的高档模具( 如汽车覆盖件 模具) 。并且随着市场需求的扩大，覆盖件模具的进口比例还有增长的趋势。虽 然国内有一汽、二汽、天汽、大众等汽车模具制造厂，具有一定设计和生产能 力，但目前也只能生产部分轿车覆盖件模具，且以低档产品为主，对高档模具 主要依靠进口“。 尽管我国汽车工业的整体水平还不够发达，但国内不少汽车生产厂家对自 主开发汽车新车型有了强烈的需求，这就便得商品质冲压件模具的需求大大增 加。为此，我国政府和地方以及不少企业投入了大量的人力、物力和财力，从 事此项技术的研究，希望我国的冲压件模具开发水平能走上一个新台阶。因此 加快技术进步，调整产品结构，充分利用现代设计方法和先进制造技术，加大 技术开发力度增加高档模具的比重，提高模具国产化程度，减少对进口的依 赖。是我国汽车覆盖件模具工业的当务之急。 作为生产汽车覆盖件的主要工艺装备，汽车覆盖件模具具有结构尺寸大、 型面形状复杂、尺寸精度高和表面粗糙度要求高的特点，同时要求使用寿命长 且单件生产，设计和加工要考虑很多因索。因此，覆盖件模具的设计往往要求 有多年设计经验的人员来完成。如图卜1 所示为汽车覆盖件模具的生产流程，主 要包括： i 、产品冲压工艺性分析 根据用户提供的产品图和工艺要求，分析产品的冲压成形工艺性，即从产 品几何拓扑结构形状、尺寸大小、精度要求及原材料选用等方面入手，进行冲 压工艺性审查。对于工艺性差的产品，应及时向用户反馈，修改产品图或工艺 条件。 2 、冲压工艺设计 覆盏件产品的冲压工艺，是由拉延工序基本工序组成的。在基本工序的基 础上，修边工序和翻边工序根据覆盖件的具体形状和尺寸，编制各自的冲压工 艺。 3 、模具结构设计 冲压工艺方案确定以后，通过分析选择合理的模具结构及部件，分别进行 拉延模、修冲模、整型模等模具的结构设计。 4 、模具加工工艺设计及其数控制造 针对不同的冲压工艺型面和模具结构设计结果，进行模具加工工艺编制和 数控编程，确定模具的加工方式和方法。 用户提供的产品数据和工艺要求 产品冲压工艺性分析 冲压工艺设计 模具结构设计 模具加工工艺设计 数控编程和模具制造 图1 1 汽车覆盖件模具生产流程 1 1 3 研究汽车覆盖件冲压工艺的意义与内容 冲压工艺设计贯穿于覆盖件模具设计与制造过程的始终，为冲压模具设计 和制造提供依据，是模具设计制造的中心环节。冲压工艺设计的质量和速度直 2 接影响冲压生产的质量和效率，因而冲压工艺设计是模具设计的基础，它不仅 决定了冲压生产的工艺过程，而且直接决定了模具结构的复杂程度。由于覆盖 件冲压成形过程受到制件形状、材料和设备等众多因素的影响，从丽使覆盖件 冲压工艺设计十分复杂，是覆盖件模具设计中的重点和难点。典型覆盖件的冲 压工艺过程为：落料一拉延一修边一翻边一检验。由于覆盖件几何形状十分复 杂，使用传统的方法进行设计时，难以准确估计冲压成形过程中板料的成形性 也就难以评价模具设计的正确性，使得冲压生产中经常出现破裂、起皱和形状 失真等严重质量问题，而这些问题只能在模具加工后或冲压生产中才能暴露出 来。这就给模具调试带来极大困难，甚至造成整个模具的报废，造成覆盖件模 具生产周期长、成本高和质量低。究其原因主要集中在冲压工艺设计阶段的失 误，尤其是拉延工序工艺设计的不合理上。长期以来，覆盖件冲压工艺设计一 直是国内外广大学者的研究热点，也是实际要解决的重要难题。现代 c a d c a e c a m 技术对冲压成形工艺进行计算机模拟和分析，能够及早发现问题， 提高模具设计质量，大大减少模具生产周期，降低生产成本。 覆盖件冲压工艺设计内容主要包括三部分： l 、制订冲压工序 针对覆盖件产品，通过宏观定性分析，确定从坯料( 板料) 到冲压出合格产 品的各道冲压工序。一般来说，覆盖件的冲压工艺由三个基本的工序组成，即 拉延、修边和翻边，按需要和可能有工序组合，如修边冲孔、修边翻边等。 2 、模具型面设计 为了保证产品的顺利冲压成形，针对每一道冲压工序分别进行相应的工艺 处理，比如为了拉延，工艺人员必须将翻边部分展开有孔的地方要补实，另 外还需确定冲压方向、添加工艺补充面等等，统称为型面设计。型面设计主要 是指拉延模的型面设计，它是冲压工艺设计的主要和重点内容。 3 、冲压工艺参数的制定 冲压过程参数是指在冲压过程中，与产品成形密切相关的一些工艺参数， 它们是保证成形质量的必要前提。主要包括坯料的形状和尺寸、材料的性能参 数、压边力的大小、冲压速度、润滑条件、冲压设备等”3 。 1 1 4 冲压模具c a d c a m 技术的国内外研究发展现状 传统上，薄板金属材料冲压工艺研究主要集中在使用实验和数字技术，在 许用应力和应变许可范围内解决材料的变形行为问题。冲压模具设计人员利用 设计手册和设计规范预测工件和模具的力学行为，但模具的设计完全依靠手工 完成的。随着计算机图形学和c a d c a m 技术的出现一些研究者将其应用在冲压 模具领域，探索冲压模具设计制造自动化方法。冲压模具是最早应用c a d 技术 的领域之一，在国内外都受到足够的重视，已取得丰硕的研究成果。 l 、幽外的研究发展状况 利用c a d c a m 技术，探索冲压模具生产自动化的研究与实践，国外早在2 0 世纪6 0 年代就丌始了，发展至今相关技术己基本成熟。随着c a d 几何造型技术 的发展，这一过程主要分三个阶段： 1 ) 早在2 0 世纪7 0 年代中期，同本学者就开始了此方面的研究。他们针对具 体的生产企业，分别开发了级进模c a d c a m 系统，并广泛推广应用，取得了良好 的效益。受当时c a d 造型技术的限制，早期的模具设计系统仅使用基本的计算机 图形设备和自动编制程序以提高设计效率。几何信息只能用类似a p t 命令语言由 人工输入，设计者做出大部分的决策，计算机用来改善绘图效率、进行一些特 殊功能的设计计算和n c 编程。 2 ) 到了8 0 年代中期，随着c a d c a m 设备的大量出现和应用，冲压模具自动化 技术发生了第二次飞跃。芬兰的金属加工和热处理实验室利用三维c a d c a m 系 统。开发了集成化的级进模设计系统。在日本，开发了一个注射模和级进模 c a d c a m 系统。在图形处理和三维造型功能上，第二代冲压模具设计系统较第一 代有了巨大的改进。然而由于系统基于程序编程语言，它们仅能自动实现相对 简单的计算处理和数据抽取。大部分重要的决策，比如冲头形状设计、成形性 评价和排样，仍由设计人员通过交互实现。 3 ) 8 0 年代术和9 0 年代初，入工智能技术、c a d 特征建模以及薄板成形模拟技 术在工程设计领域中的应用与发展，冲压模具设计自动化系统迎来了第三次质 的飞跃。现在，人工智能技术越来越多地使用在板金冲压生产的设计系统中 主要表现在模式识别、产生式规则和基于框架的推理、模糊推理和基于特征设 计等等。其中基于知识和特征的薄板成形研究引起学者们的广泛关注“1 。 2 、国内的研究发展状况 我国于8 0 年代中期才开始展开模具c a d c a m 系统的应用研究，与国外相比有 很大的差距。经过近2 0 年的研究和开发，虽然取得很大成绩，但无论在技术能 力和技术储备，还是在技术的应用普及上，我国的冲压模具设计水平都比国外 有相当的差距。目前在该领域研发中主要集中于上海交通大学、华中科技大学 和哈尔滨工业大学等高校。开发了面向小尺寸冲压件的级进模c a d c a m 系统：用 特征技术，使用三维线框造型技术进行产品设计；过人工实现板料布局，用户 可以交互完成排样设计；同时开发了级进模c a d c a m 系统，系统依靠特殊的关系 数据结构来描述工件和模具结构，由人机交互实现排样布局；建立了基于特征 的汽车覆盖件冲压c a p p 系统。系统基于特征技术，提出了设计特征、工艺特征 的概念，并对覆盖件冲压工序设计和型面设计等关键技术进行了详细论述，建 立了冲压工艺设计知识库及其基于知识的冲压工艺方案的定制，利用面向对象 的技术实现覆盖件冲压c a p p 的特征建模；提出了建立计算机辅助汽车覆盖件拉 深模工艺设计的集成环境思想：它基于事例的初始设计，通过数值模拟对设计进 行评价。并提出对设计的修改建议：探讨了基于变量化技术的工艺补充部分和 压料面的设计方法；研究了覆盏件基于知识的智能c a p p 系统：利用特征技术，建 立了面向对象的覆盖件产品信息模型：提出利用智能化、系统化和集成化技术 开发汽车覆盖件c a p p 系统的发展趋势，构建了基于知识的覆盖件智能, c a p p 系统 和覆盖件产品设计管理一体化系统工程的框架，并对拉延模工艺补充面及压料 面的参数化设计进行研究。采用特征技术进行拉延模型面设计，提出了覆盖件 拉延模型面的特征组装配建模技术的概念，同时研究了集成的成形性分析法在 型面设计中的应用。研究了基于特征映射的冲压工艺设计方法，提出了基于特 征的冲压件定义模型，基于产生式规则知识，利用特征映射技术实现设计特征 向工艺特征的映射。并提出了基于面向冲压的设计可冲压性评价思想。探讨了 汽车车身覆盖件特征的表达。使用优化理论，建立汽车覆盖件冲压方向优化模 型，确定冲压方向“1 。 3 、高速切削加工技术 术。嬲壕龋瓣瘫缴魁糍鼎脞瞪 森鼎冁孺勰，絮嚣嚣：罐粕芏赠概 要挚蓄蓠毳覆翼翱霆两期于震薹募蔷篱器鑫艳艳凄募蛊鸷瞽彝荐羞喜裴美嚣鍪大。一国丙在模具制造周期、质量方面和标准化程度方面与国外存在着较大的差 化、集成化的产品设计制造过程中的信息交换。实施逆向工程可以充分发挥先 进的测量设备的优越性，使其既可以作为c a d c a m 系统所需要的三维输入装置， 又可以作 c a d c a m 系统处理后的误差检测评估装鹭，从而提高工业产品的设 计t 制造自动化程度，缩短产品的试制开发周期，降低生产成本。将逆向工程 技术定义为没有工程图纸的情况下，对物体的物理模型进行测量，通过对测量 信息的分析和处理来反求其c a d 模型的过程。在这一意义下，逆向工程可以定义 为：是将实物转变为c a d 模型相关的数字化技术和几何模型重建技术的总称。逆 向工程是综合性很强的术语，它是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方 法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和刨新思维，对己 有新产品进行解剖、深化和再创造，是对己有设计的设计，特别强调再创造是 反求的灵魂。从工程应用的目的出发，将反求工程的研究领域拓宽到工艺、材 科、原理等方面的反求，是广义上的反求。应该看到：逆向工程有其独特的共性 技术和内容，还是一门新兴的交叉学科分支。现行产品中的各种复杂高新技术， 在逆向工程中都会遇到如何消化吸收并加以改进和提高。所以对于新兴技术的 理解、消化和推广上，逆向工程作用十分巨大。现代人们通称的设计一般均指 正向设计。它根据市场需要提出目标和技术要求，使设计意图变为产品。如何 合理利用他人的设计思想，加快自身产品更新换代的能力，是在市场竞争日益 激烈的今天站稳脚跟，持续发展的关键。实际上，在设计制造领域，任何产品 的问世，包括创新、改进和仿制，都蕴含着对已有科学、技术的应用和借鉴改 进。可以看出，反求思维在工程中的应用已源远流长，然而提出这种术语并作 为一门学问去研究，则出现于6 0 年代，逆向工程是各国技术进步、发展，尤其 是发展中国家迅速改变技术落后状况，提高综合设计、决策水平、制造水平， 赶超世界先进水平的迅捷之路。战后日本工业恢复的需要使其首先对逆向工程 进行了较早的研究，日本提出“第一台引进，第二台国产化，第三台出口”的 口号，用了近二十年时间迅速崛起成为世界经济强国就是一个生动的历史证明 ：乱 o 1 2 2 逆向工程的作用及应用领域 逆向工程是近年来发展起来的消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方 法以及应用技术的组合，其主要目的是为了改善技术水平，提高生产率，增强 经济竞争力。世界各国在经济技术发展中，应用逆向工程消化吸收先进技术经 验，给人们有益的启示。据统计，各国百分之七十以上的技术源于国外，逆向 工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大 提高了生产率。因此研究逆向工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水 平的提高，具有重大的意义。逆向工程的应用领域大致可分为以下几种情况： 1 在产品仿制中的应用 有时，拟台制作的产品没有原始的设计图档，而是由委托单位交付样品或 6 实物模型，请制作单位复制。传统的复制方法是用立体雕刻机或三轴仿形铣床 以1 ：l 的比例制作模具，再生产产品。这种方法属于模拟型复制，其缺点是无 法建立工件尺寸图档，因而也无法用现有f l 勺c a d 软件对其进行修改，故已渐为新 型的数字化逆向工程系统所取代。在这种i f f 况t ，在对零件原形进行三维反求 的基础上形成零件的设计图纸或c a d 模型，并以此为依据生成数控加工的n c 代 码，加工复制出一个相同的零件。 2 在新产品设计中的应用 随着工业技术的发展以及经济的发展，消费者对产品的要求越来越高。为 赢得市场竞争，不仅要求产品的功能先进，而且要求外形美观。而在造型中针 对产品外形的美学设计，己不是传统训练下的机械工程师所能胜任的。一些具 育美工背景的设计师们可利用c a d 技术构想创新的美观外形，再以手工方式塑造 出模型，如木模、石膏模、粘土模、胶模、工程塑胶模、玻璃纤维模等，然后 荐以三维测量的方式建立曲面模型。在美学设计特别重要的领域，例如汽车外 型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，而不采用 在计算机屏幕上缩小比例的物体投视图的方法，此时需用逆向工程的设计方法。 3 在旧产品改进中的应用 在对旧产品改进时，有时并没有零件的c a d 模型，因此需要利用逆向工程 技术建立产品的几何模型，然后再利用传统的c a d 软件对原设计进行改进。当要 设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。比 如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设计模 型的基础上经过各种性能测试( 如风洞实验等) 建立符合要求的产品模型，这类 零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及反 求其模具的依据。 4 在r p m ( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g ，快速原型制造) 中的应用 快速原型制造( 又称r p 技术) 是8 0 年代后期兴起的一种基于材料累加法的高 新制造技术。被认为是近2 0 年来制造领域的一次重大突破。r p m 综合了机械、c a d 、 数控、激光以及材料科学等各种技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计 思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，用以对产品设计进行快速评 估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研制周期。而以r p 系统为基础的快速 工装模具制造( q u i c kt o o l i n g m o l d i n g ) 和快速精铸技术( q u i c kc a s t i n g ) 等则 可实现零件的快速制造( q u i c km a n u f a c t u r i n g ) 。 为应用该项技术，首先应该有产品的三维几何模型。尽管已经出现了许多 成功的三维c a d 软件，但运用这些软件建立一个复杂的零件模型，仍相当费时。 有时工程界提供的是实物，需要由实物制造模具或作设计上的改进。因此在r p m 中经常利用逆向工程技术来建立产品的几何模型。 此外，在计算机图形和动画、工艺美术和医疗康复工程等领域，也经常需 要根据实物快速建立物体的三维几何模型。另一个重要的应用如修复破损的艺 术品或缺乏供应的损坏零件等，此时不需要对整个零件原型进行复制，而是借 助逆向工程技术抽取零件原形的设计思想，指导新的设计这是由实物逆向推理 出设计思想的一种渐近过程。因此，逆向工程技术在这些领域中也具有重要的 应用价值。 1 2 3 逆向工程的一般步骤 逆向工程一般可分为四个阶段： 零件原形的数字化通常采用三坐标测量机( c m m ) 或激光扫描等测量装置来 获取零件原形表面点的三维坐标值。 从测量数据中提取零件原形的几何特征按测量数据的几何属性对其进行分 割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。 零件原形c a d 模型的重建将分割后的三维数据在c a d 系统中分别做表面模型 的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的c a d 模型。 重建c a d 模型的检验与修j 下采用根据获得的c a d 模型重新测量和加工出样品 的方法来检验重建的c a d 模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满 足要求者重复以上过程，直至达到零件的设计要求“1 。 1 3p r o e 软件介绍 p r o e n g i n e e r 软件由美国参数技术公司开发而成，是机械c a d c a m 软件的后 起之秀，它采用统一的数据库，集三维实体和曲面造型、装配造型、三维工程 图、数控加工、有限元分析、机构运动仿真、钣金设计、加工和装配工艺过程 设计及模具设计等功能于一体，特别是其全参数化和全相关功能强大的实体造 型技术，精悍、统一的数据库和能支持所有u n i x 平台和w i n d o w s 9 5 ，w i n d o w s n t 平台，使它成为快速成形技术行业中市场占有率最高的c a d 软件系统之，。 p r o e n g i n e e r 的核心技术特点： 1 基于特征p r o e n g i n e e r 使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要 素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。 例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而 易于使用，并以这些简单特征为基础来进行更为复杂的几何形体的构造。装配、 加工、制造以及其他学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参 数( 不但包括几何尺寸，还包括非几何属性) ，然后修改参数很容易的进行多次 设计叠代，实现产品开发。 2 全尺寸约束 在p r o e n g i n e e r 的设计过程中，将零件的尺寸和形状结合起来考虑，通过 尺寸约束实现对几何形状的控制。几何造型必须以完整的尺寸参数为出发点( 全 约束) ，不能漏标尺寸( 欠约束) ，也不能多标尺寸( 过约束) 。 3 尺寸驱动设计修改 p r o e n g i n e e r 设计过程中是通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。 p r o e n g i n e e r 提供了独特的p r o g r a m m e ，让设计者可以通过简单的编程，来实 现设计模型尺寸修改的程序化，从丽实现程序化修改产品的凡何形状，并可以 利用此功能实现产品设计的系列化，建立产品的标准零件等。 4 全数据相关 为加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效 率，必须允许多个学科的工程师对同一产品进行开发。数据管理模块的丌发研 制，f 是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了 p r o e n g i n e e r 独特的全相关性功能，因而使之成为可能。p r o e n g i n e e r 是建立 在统一的数据库上的，不像一些传统的c a d c a m 系统建立在多个数据库上。所谓 单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个数据库，使得每一个独立用户在 为一件产品造型而工作，不管他是哪个部门的。换言之，在整个设计过程的 任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。这种独特 的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计开发全过程统一起 来。这一优点，使得设计更优化，产品质量更高，产品能更好地推向市场。 p r o e n g i n e e r 的全相关性保证在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失， 并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。 j 装配管理 p r o e n g i n e e r 的基本结构能够使设计者使用一些直观的命令，例如“啮合”、 “捅入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的 功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。 作为世界一流的三维c a d c a m 软件，p r o e n g i n e e r 不仅提供了复杂的功能而且还 为用户提供了开发接口，同时p r o e n g i n e e r 还自带一个p r o g r a m 模块。 p r o t o o l k i t 是p t c 公司发布的针对p r o e n g i n e e r 的c 一语言用户化开发工具包。 p r o t o o l k i t 为高级用户或第三方机构提供了通过编写c 或c + + 语言程序而拓展 p r o e n g i n e e r 的功能，并将用户编写的c 或c + + 语言程序与p r o e n g i n e e r 集成 为一体的能力，p r o t o o l k i t 的功能非常强大，提供了大量针对p r o e n g i n e e r 底层资源调用的库函数和头文件。几乎覆盏了p r o e n g i n e e r 中的所有操作，如 对文件的操作、系统的设置、零件族表的建立、编辑与实例化、对特征的处理、 零件的装配等，都提供了丰富的库函数。使用这些函数，可以开发出功能复杂 的应用程序。p r o p r o g r a m 是p r o e n g i n e e r 自带的一个编程模块，可以用它来 编辑p r o e n g i n e e r 模型的设计列表，创建一个包含最近设计指令的文件，并用 该文件来生成新的模型。 6 制造加工 现今加工制造业所面临的加工目标要求多，如工件复杂性、精度要求及生 产效率等的门槛越来越高，同行业的竞争也越来越激烈。在众多强劲对手中， 需要更进一步提高加工技术的水平才能在同行业竞争中脱颖而出。在p r o e 9 的c a d c a m 系列模块中，除了提供用于建立计算机几何模型的辅助工具( c a d ) 还提供了在设计产品加工制造工艺时所需要的辅助工具( c a m ) ，使用户在产品的 设计上更得心应手，加工制造技术更快速，生产程序更具有效率，上市时阳j 更 加领先，质量更加可靠a 让用户的产品设计、制造、生产流程连贯化，因此更 具有竞争力。 在产品加工制造的环节上，p r o e 在设计n c 加工制造程序上提供了功能强大 的辅助工具一p r o n c 力f f 工制造模块使用户可以利用p r o n c 将产品的计算机 几何模型与计算机辅助制造进行拯合，配合n c 加工制造技术上所需要的各项加 工参数：加工所需要的模型、加工坯料、夹具、加工刀具、加工机床及各种加工 参数等等，来设计产品的各种加工工艺。p r o n c 多样化的加工辅助制造程序设 计工具，可以分别针对各类型加工机床( 两轴半至五轴各型加工中心、两轴及四 轴车床、两轴及四轴电火花线切害4 机等) 及各种加工方式( 铣、车、钻、电火花 加工等等) ，自动产生适用于加工机床及加工刀具与控制器所需要的加工控制数 据。利用输出的加工控制数据可进行实际加工，制造出所设计的产品及零件模 型。工程师利用p r o n c 设计好加工程序后，产生的加工刀具相对于加工坐标的 路径数据称为c ld a t a ( c u t t e rl o c a t i o nd a t a ) 。所得到的c ld a t a 可以利用 p r o n c c h e c k 在计算机中模拟所设计的加工程序切削材料时的状况，由此观察 实际加工时的切削状况，以预测误差及过切，并进一步修改制造程序，以减少 废料的产生及避免加工失败。还可以协助制造工程师达到制造流程最佳化的目 的，并检验产品在进行切削时的状况。设计加工制造程序所产生的c ld a t a ，可 经由p r o n c p o s t 进行数据的转换，得到适用于实际加工所需要的机械控制码 ( n c c o d e ) 。所产生的n cc o d e 配合适当的工具及加工机床，可以实际应用p r o n c 所设计的产品加工制造工艺。 1 4 逆向工程在汽车覆盖件设计中应用 汽车工业发展一百多年，技术目新月异，全世界汽车保有量己逾6 亿辆，而 我国汽车工业经过半个多世纪的发展目前