第4章 反求工程

第4章反求工程 基本要求了解反求工程的概念 研究对象及研究内容 掌握反求工程的设计程序 教学内容4 1反求工程的概念4 2反求工程的研究对象及研究内容4 3反求工程的步骤4 4反求工程的关键技术4 5反求工程的作用及应用领域4 6实例 4 1反求工程的概念在机械领域中 反求工程 ReverseEngineering 是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下 按照现有零件的模型 称为零件原形 利用各种数字化技术及CAD技术重新构造原形CAD模型的过程 据统计 各国百分之七十以上的技术源于国外 应用反求工程消化吸收先进技术经验 给人们有益的启示 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 4 2反求工程的研究对象及研究内容反求工程的研究对象多种多样 所包含的内容也比较多 主要可以分为以下三大类 实物类 主要是指先进产品设备的实物本身 软件类 包括先进产品设备的图样 程序 技术文件等 影像类 包括先进产品设备的图片 照片或以影像形式出现的资料 4 2反求工程的研究对象及研究内容1 反求对象分析 1 反求对象设计指导思想 功能原理方案分析 要分析一个产品 首先要从产品的设计指导思想分析入手 产品的设计指导思想决定了产品的设计方案 深入分析并掌握产品的设计指导思想是分析了解整个产品设计的前提 充分了解反求对象的功能有助于对产品原理方案的分析 理解和掌握 才有可能在进行反求设计时得到基于原产品而又高于原产品的原理方案 这才是反求工程技术的精髓所在 2 反求对象材料的分析 对反求对象材料的分析包括了材料成分的分析 材料组织结构的分析和材料的性能检测几大部分 4 2反求工程的研究对象及研究内容 3 反求对象工艺 装配分析 反求设计和反求工艺是相互联系的 缺一不可 在缺乏制造原型产品的先进设备与先进工艺方法和未掌握某些技术诀窍的情况下 对反求对象进行工艺分析通常采用以下几种常用的方法 l 采用反判法编制工艺规程 以零件的技术要求如尺寸精度 形位公差 表面质量等为依据 查明设计基准 分析关键工艺 优选加工工艺方案 并依次由后向前递推加工工序 编制工艺规程 2 改进工艺方案 保证引进技术的原设计要求 在保证引进技术的设计要求和功能的前提条件下 局部地改进某些实现较为困难的工艺方案 对反求对象进行装配分析主要是考虑用什么装配工艺来保证性能要求 3 材料国产化 局部改进原型结构以适应工艺水平 在无法保证使用原产品的制造材料时 或在使用原产品的制造材料后 工艺水平不能满足要求时 可以使用国产化材料 以适应目前的工艺水平 4 2反求工程的研究对象及研究内容 4 反求对象精度的分析 反求对象精度的分析包括了反求对象形体尺寸的确定 精度的分配等内容 在进行精度的分配时 根据产品的精度指标及总的技术条件 产品的工作原理图 并且综合考虑生产的技术水平 产品生产的经济性和国家技术标准等 按以下步骤进行 1 明确产品的精度指标 2 综合考虑理论误差和原理误差 进行产品工作原理设计和安排总体布局 3 在完成草图设计后 找出全部的误差源 进行总的精度计算 4 编写技术设计说明书 确定精度 5 在产品的研制 生产的全过程中 根据实际的生产情况 对所作的精度分配进行调整 修改 4 2反求工程的研究对象及研究内容 5 反求对象造型的分析 产品造型设计是产品设计与艺术设计相结合的综合性技术 其主要目的是运用工业美学 产品造型原理 人机工程学原理等对产品的外形构型 色彩设计等进行分析 以提高产品的外观质量和舒适方便程度 例如 在数控系统的设计中 就要充分考虑到数控系统的显示器的布局问题 图形显示和汉字显示问题 数控系统操作面板的造型问题 色彩问题 各个功能操作按键的造型 色彩 布局问题等等 6 反求对象系列化 模块化分析 分析反求对象时 要做到思路开阔 要考虑到所引进的产品是否已经系列化了 是否为系列型谱中的一个 在系列型谱中是否具有代表性 产品的模块化程度如何等具体问题 使在设计制造时少走弯路 提高产品质量 降低成本 生产出多品种 多规格 通用化较强的产品 提高产品的市场竞争力 4 2反求工程的研究对象及研究内容2 反求工程的研究内容从设计角度而言 反求工程的研究内容主要包括以下几个部分 1 分析所引进产品的设计指导思想 2 功能和原理方案分析 3 结构分析 4 形体尺寸分析 5 精度分析 6 材料分析 7 工作性能分析 8 造型设计分析 9 工艺分析 10 使用和维修分析 11 包装技术分析 4 3反求工程的步骤 数据获取DataCapture数据预处理Preprocessing数据分块与曲面拟合SegmentationandSurfacefittingCAD模型生成CADmodelcreation 测量机分类 接触式三坐标测量机 CMMcoordinatemeasuremachine 机械手非接触式光学测量声学测量磁学测量破坏式 自动断层扫描 接触式测量机 工作方式 点触发 连续或间断式数据采集特点 不受物体表面颜色及光照的限制 对物体边界也能产生准确的测量结果缺点 由于测头的限制 可能丢失某些测头不可到达的细节数据不能测量软材料测量速度受到机构运动的限制 三坐标测量机 CMM 一般工作台面是花岗岩 测头为宝石 意大利COORD3公司半桥式CMM测量机 龙门式CMM CMM系统组成 计算机控制零件程序的执行和进行结果处理 实现与外设的通讯数控设备计算机和测量机的接口 控制测量机运动测量机机体底座 工作台 立柱 导轨 测头 驱动电机 机械手式测量机 测量方法 操作者手持测量手臂 末端探针接触被测量物体表面时按下按钮 记录坐标和探针手柄方向 通过串口线传到各种软件包上 FaroARM手动式 精度低 范围大 Cimcore手动式 光学测量机 激光三角形法激光测距法投影光栅法图像分析法 特点 高速测量 短时间内测量大量的点缺点 对表面粗糙和表面漫反射率敏感 如透明 高光 激光三角形法 原理 激光带投射到被测物体表面 反射光在图象传感器上成像 按照预设定的三角形光路原理的测到被测物体的坐标 物体的全轮廓是通过多轴可控机械运动辅助获得 laserstripetriangulation 原理图 23 000pointspersecond CyberWare测量机 Cyberware公司的三维扫描仪 在80年代就被迪斯尼等动画和特技公司采用 用于 终结者II 侏罗纪公园 蝙蝠侠II 机械战警 等影片 还用于快速雕塑系统 90年代的扫描仪可对人体全身扫描 给出对象的多边形 NURBS曲面 点 Spline曲线方式描述 可进行彩色扫描 扫描速率可达1 4万点 秒 3030RGB型扫描物体的尺寸在30cm 深度方向测量精度100 400 m 用于动画 人类学研究 服装设计等方面 CyberWare测量机 构成 平台传感器 光学系统 计算机处理软件 Cyberware 激光测距法 激光束的飞行时间转化为被测点与参考平面间的距离 投影光栅法 采用普通白光将矩形光栅投影于物体表面 摄取变形光栅图像 根据灰度值变化 算出空间坐标 ATOS流动光学三坐标测量系统 atos 贴标签定位 图像分析法 利用高分辨率的数码相机 拍摄多个图像 利用一个点在多个图像中的相对位置 通过视差计算距离 从而得到点的空间坐标 自动断层扫描 逐层去除材料与逐层扫描相结合的方法将待测零件用专用树脂材料 填充石墨粉或颜料 完全封装 待树脂固化后 固定到铣床上 进行微吃刀量切削 得到包含零件和树脂材料的截面 移到CCD摄像机下 对当前截面进行采样量化 由于封装材料与零件存在明显边界 利用滤波 边缘提取 纹理分析 二值化等数字图像处理技术进行边界轮廓提取 得到各轮廓的坐标值 重复步骤2 3 再到铣床上切削 再分析 自动断层扫描数据 测量中的问题 精度标定透镜变形 非线性因素等的影响 存在系统传感误差不可测量性阴影 障碍物 夹具多个视点测量 再进行多视拼合测量噪声被测物体表面特征的影响光洁度 表面涂层对光线的反射率头发测量 粗糙表面的典型实例 测量数据类型 散乱点云 PointCloud 扫描线点云网格化点云三角网格点云多边形点云 散乱点云 测量点没有明显的几何分布特征 呈散乱无序状态随机扫描下的CMM 光学测量系统多张数据拼合后 散乱点云数据 扫描线点云 点云由一组扫描线组成 扫描线上的所有点位于扫描平面内CMM 激光三角形测量系统沿直线扫描 线结构光扫描测量 扫描线点云数据 扫描线点云数据 网格化点云 点云中所有点都与参数域中一个均匀网格的顶点对应网格化插值 网格数据表示 三角网格点云 点云中的点与邻点构成三角网格拓扑关系ATOS流动光学三坐标测量机 三角网格点云数据 多边形点云 测量点分布在一系列平行平面内 用一小线段将同一平面内距离最小的若干相邻点依次连接 可形成有嵌套的平行多边形层切法 核磁共振 工业CT 多边形点云数据 数据预处理内容 数据拼合数据光滑数据简化数据修复数据分块 数据拼合 也叫多视拼合 因为一次测量完成对全体件的数字化是很困难的CMM中多次装夹光学测量仪中 多视角测量可以在测量过程中由软件自动拼合 也可以在测量结束后输入到反求工程软件中拼合 拼合方法 点位法 测量点中确定三个非共线点 作为分视图的局部坐标系标准 拼合结果 数据光滑 实际测量过程中受到人为或随机因素的影响 使得测量结果包含噪声 为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响 有必要对数据进行平滑滤波 人机交互程序滤波变形光顺 人工交互 滤波方法 高斯滤波 指定域内的权重为高斯分布 平均效果较小 在滤波的同时能较好的保持原数据的形貌 DK D G平均滤波 采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计平均值 中值滤波 采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计中值 消除数据毛刺的效果较好 典型的低通滤波器 在图像处理中 就是指把以某点 x y 为中心的小窗口内的所有像素的灰度按从大到小的顺序排列 将中间值作为 x y 处的灰度值 若窗口中有偶数个像素 则取两个中间值的平均 滤波示意图 程序滤波 局部特征去除 光顺效果 光顺效果 数据修复 测量过程中因为贴定位片 遮挡等原因导致部分数据测量不完整重新测量软件中修补 数据修复 修复 数据简化 按数据点间的距离指定数据点间的临界距离 两个测点间的距离小于临界距离 则删除其中的一个 按给定的法向精度根据删除一个点在曲面法向引起的误差大小作为测点删除的依据 测点到最小二乘拟合曲面的垂直距离作为删除该点引起的近似法向误差 若小于某一阈值 删除该点 曲率较小的地方分布较少的点 曲率大或尖锐棱边保留较多的点 给定距离简化 4 4反求工程的关键技术 1 数据获取技术零件原形的数字化 通常采用三坐标测量机 CMM 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 并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型 重建CAD模型的检验与修正 采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求 对不满足要求者重复以上过程 直至达到零件的设计要求 4 4反求工程的关键技术 2 产品建模技术当零件原形数字化后形成一系列的空间离散点 生成原形的CAD模型就是要在这些离散点的基础上 应用计算机辅助几何设计的有关技术 构造零件原形的CAD模型 通常对于含有自由曲面的复杂型面 用一张曲面来拟合所有的数据点是不可行的 一般首先按照原形所具有的特征 将测量数据点分割成不同的区域 各个区域分别拟合出不同的曲面 然后应用曲面求交或曲面间过渡的方法将不同的曲面连接起来构成一个体 有效的三维测量数据分割和拟合技术是反求工程中重要内容 4 5反求工程的应用领域 1 在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下 在对零件原形进行测量的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型 并以此为依据生成数控加工的NC代码 加工复制出一个相同的零件 2 当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时 通常采用反求工程的方法 比如航天航空领域 建立符合对空气动力学的要求 如风洞实验等 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 3 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 此时需用反求工程的设计方法 4 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 4 6实例下图为叶轮反求设计过程 叶轮基体的反求和叶片的反求 如图a所示 在叶轮基体数据采样区域采集基体数据 然后读入到专用反向处理软件 经过一系列处理后得到叶轮基体 如图b所示 在叶片数据采样区域采集四个自由曲面的数据 读入到专用反向处理软件 生成叶片外形曲面 如图c所示 同时将曲面读入大型CAD软件中进行处理 生成实体 然后通过实体切割 生成叶片实体 如图d所示 在CAD系统中 对叶片进行旋转阵列 并与叶轮基体组合 生成叶轮实体 然后对叶轮表面内偏置测头半径1mm 完成最终造型 如图e