【毕业学位论文】（Word原稿）逆向工程与快速成形技术在产品研发之应用-电机工程

1 圣 约 翰 技 术 学 院 机械系专题研究报告 逆向工程与快速成形技术在产品研发之应用 林 守 仪 副教授 中华民国九十三年七月 2 摘 要 本计画旨在提出逆向工程 快速成形技术 新产品模型之应用，协助产业升级并提升竞争力。 计画内容共分成两大部分：逆向工程、快速成形。在逆向工程方面，首先探讨 次元量测技术在三次元教学模型之应用，以手动量测方式迅速撷取点资料，再 将资料点整理成规则化格式，接着进行新产品模型 建构，将点资料构建成实体（ 薄壳（ 本研究采用 着将 型转换成三角网格构造的格式，以利后续快速成形技术的进行，在 术方面，本研究采用粉末式快速成形技术制作型。 3 目 录 摘要 目录 图表索引 第一章 绪论 . 1 第二章 逆向工程 2 脑辅助设计 . 2 次元量测系统 . 4 资料处理 . 6 型构建 . 6 组件构建与组立 . 6 第三章 快速原型技术 11 速成形原理 . 11 速成形的种类 . 12 第四章 实验 17 验设备 17 验 流程 . 19 例 . 20 4 件点资料量测处理 20 件 型与零件组立 . 21 速原型制作 22 参考文献 . 26 图表索引 图 2程示意图 . 4 图 2次元量测系统 . 5 图 2立内定的组立基准面 . 7 图 2件 1 与基准面 . 7 图 2立零件 . 8 图 2立 . 8 图 2件 1及零件 2 9 图 2件 1 及零件 2 基准面组立 . 9 图 2零件 2 基准面上构建零件 . 10 图 3 型示意图 . 11 图 3射光合高分子成型示意简图 . 13 图 3射烧结技术成型示意简图 . 13 图 3层法 成型示意简图 . 14 图 3积法成型示意简图 . 14 5 图 3度分析图 . 15 图 3402 加工原理图 . 16 图 4次元测量仪 . 17 图 42001. 18 图 4速成型机 . 19 图 4 20 图 4件组立图（ 1） . 22 图 4件组立图（ 2） . 22 图 4转档流程（ 1） . 23 图 4转档流程（ 2） . 23 图 4转档流程（ 3） . 24 图 4处理 . 24 图 4品 25 图 4速原型制作流程图 . 25 6 第一章 绪论 传统顺向工程开发流程：首先依据需求制定规格，再以工程分析所需的产品尺寸来设计产品尺寸。在产品设计流程，通常以 建构 3D 模型，接着以人工或 造 3D 型，再进行外形量测，以确认模型无误，即进行模具设计与开模，最后量产并检验产品的精度，整个流程旷日费时，然而精密化与多种少量是现在产品与未来发展的趋势，尤其我国加入 ，对于品质的要求与开发时程的缩短，更是日趋严谨，如何提升我国产业的竞争力，以生 产精密与多种少量的产品是刻不容缓的问题。本产学合作计画提出逆向工程快速成形技术 公差比对与误差分析在新产品模型之应用，协助产业升级并提升竞争力。 7 第二章 逆向工程技术 2电脑辅助设计 （ 1） 定义 指利用电脑来进行设计的开发，分析与评估、修正等工作。包含了电脑辅助工程 （ ，利用已经建立好的几何模型来进行分析及评估，如结构件 支撑时支应力、应变、挠度或温度之分布。 （ 2） 资料模式 统因特性与功能的不同，有以下常见的格式： （ a） 原始图形交换格式 （ 可作为输出与输入之格式转换，应用于平资料之转换。 （ b） 产品资料交换格式 （ 案较 档案小，执行时间少，错误率也较小。 （ c） 图形交换档（ 常用于 软体之资料格式。 （ d） 产品模型资料交换标准 （ 国际标准，是未来之潮流。 8 （ 3） 统的四阶段 （ a） 几何模型化：将物体或零件以数学方式或解析法则来描述，并藉由软硬体的帮助显示在萤幕上。 （ b） 设计分析与最佳化：利用各种 体来进行零组件或产品的 应力、应变、挠度、震动模态、热传、表面积、质量。大多利用有限元素法 （ 来进行。 （ c） 设计复核与评估：可检查各元件间是否有无干涉的现象，避免在装配时发生。困难。也可对零件订定精密的尺寸和公差，使得制造时能配合所需之精度。 （ d）文件与绘图说明：可以藉助自动绘图机加注文件说明及参考资料诚心产生设计图样，也可产生及列印出详细的加工图。 逆向工程 就是根据现有的实体，量测其外形座标点资料，再根据量测所得的点资料建构物体的曲面几何模型。当新产品开始设计时，即藉由 硬体设备，利用照相或扫瞄的原理，快速且精准的取得产品的 资料；并且使用有助 于逆向工程应用的的专用软体例如： 行曲面的建构、边修及分析。之 9 后即可直接下指令操作 统，便能迅速的得到产品的原型。在确认设计无误后，就能方便应用于 工或快速模具等制造！除了仿型和增进后续的加工品质外，更能赋予产品重新设计的好处。所以整合应用，比传统的开发流程大幅地缩短了 R D 的时间及成本。 图 2程示意图 次元量测系统 ( 接触式量测 系统可分为两种 :一为三次元座标量测仪 (一为扫瞄寻迹专用机，其中又以前者最具代表性 1、 2， 由座标量测机本体与数据机处理单元所构成，如图 2利用一个多方向感测指示的测头接触工作表面，沿 X、 Y、Z、三轴移动以进行量测，测头与工作表面达到一压力时，即可触发 10 信号，将这些座标送到数位处理机，经由软体计算，即可得知工件外形尺寸， 逆向工程应用上，必须沿着工件外形规划 u、 v 方向所要测量的点，在依次以 测头触碰这些点，获取 曲面上的点资料，如果须要较密的点资料，除了教导式之外，尚须采取自动量测方式。 优点 : 测量范围广。 易测量 3D 工件。 缺点 : 质材料不易测量。 测头有一定直径，可能无法测量。 点接触式三次元量测仪量测时，需先选定测头再决定坐标系统，然后才开始量测。 图 2次元量测系统 11 资料处理 经由量测系 统量测的资料，可能含有杂讯或不够规则化，尤其是不同的系统通常有其既定格式，必需加以整理才能进行 型构建。 型构建 在曲线构建上常采用 是 线通过所有资料点，必须改变曲线的端点或端点切线向量，才能改变曲线形状，同时只能使用三次方曲线，因此缺乏直觉性与灵活度。 然改进了这些缺点可用控制多边形(控制形状，亦不受限于三次方曲线，但 缺乏控制功能， B- 提出可解决此项问题，目前大多数商用软体均采用此种架构，本文直接采用 软体来构建曲线、面与实体。 组件构建与组立 零组件构建可分两种方式来进行：先个别建立零件再组立或 4、 5。 步骤 1 建立新组立件，并建立内定的组立基准面。 (1) 位选 入组立件名称： (2) 建立内定的组立基准面 (3) 建立组立基准面 图2示 回到 令目录下 ) 12 图 2立内定的组立基准面 步骤 2 组立零件 1) 读取零件 后组立到 在目录下选取零 件 选取 色面与选取 色面，如图所示 选取 色面与选取 色面，如图所示 选取 色面与选 取 色面，如图 2示 图 2件 1 与基准面 完成 件 1 之组立，如图 2示 13 图 2立零件 骤 3 组立 件 2 选取 件 2 选取 的 的 图 2示 选取 件 2 的小圆柱箭头指示面与 件 1 的孔内面，如图所 2 完成零件之组立 ，如图 2示 图 2立 14 直接由零件组立观点着手。 图 2件 1 及零件 2 由 件 1 直接绘制组立 件 2。 (1) 在 组下，将 件 1 及仅含有 件 2 组立在一起， 如图 2示。 图 2件 1 及零件 2 基准面组立 (2) 以 方式在仅有 零件上建构 件 2 的 图 2示。 15 图 2零件 2 基准面上构建零件 16 第三章 快速原型技术 速成形原理 快速原型技术（ 乃是使用非传统加工的方法，先由 体设计产生出 3体模型，再经由电脑程式将实体模型转换成为 案，此一档案是由 近似一个平面。接着将此档传至快速成型系统中，系统依使用者的要求将实体模型分割成一层一层，并一层一层堆迭出形状 6、 7。快速原型机具有省时且易于使用及适应多样性产品设计的优点。 （ 1） 工作原理：快速原型机（ 基本原理，乃是使用非传统加工的方法，将由 计产生出来的 3D 实体模型（ 经由电脑程式将实体模型分割成一层一层 ，再由非传统加工方法一层一层堆迭成型。 图 3 成 17 （ 2）特色：快速原型机的特色在于其能加工成型的工件形状几乎没有限制，而且可以制造切削刀具无法切削出的形状。另外，快速原型机成型可以由程式自动将 案转成为快速原型机可用的档案（ ），因此并不需要太多的人工，加工条件远比切削加工简单，技术层面没有切削那么复杂麻烦。 （ 2） 缺点：生产速度慢，一次只能做一个或数个，并不适合于大量生产，而且产品精度较差。另外，快速原型机做出来的成品使用非塑胶材料的仍然不多。 速成形的种类 目前在市面上有近二十种不同的快速原型机系统，每一个系统的基本原理都相类似，不一样的只是在于堆迭材料的方法不同，以下介绍几种比较常见的制作方式： （ a） 雷射光合高分子成型（ 以美国3D 公司为代表。 18 图 3射光合高分子成型示意简图 （ b） 雷射烧结技术（ 以美国司为代表。 图 3射烧结技术成型示意简图 （ c） 固态基础熟化法（ 以以色列 司 为代表。 （ d） 迭层法（ 以美国 司为代表。 19 图 3层法成型示意简图 （ e） 溶解沈积法（ 以美国 司为代表。 图 3积法成型示意简图 （ f） 3刷法（ 3D 以美国 司为代表。 (g)粉末成形法 速原型系统一台售价是 5 万美金，机器的加工原理乃是麻省理工学院 (的 3DP(8、 9、 10一层的累积成型，但经过本机器所制作的原型件必须在再经过渗腊或是环氧树脂，以增加其强度 20 与耐久性，零件强度分析图如 图 2精度与强度是以选择的材料而定强度可达 10 面中精度是 Z 轴的精度在 吋内，对于收缩的误差，可以在 作业软体中使用不同比例特征来调整预期的收缩且使 到更精准的比例，而渗腊的过程非常简单，只需花一分钟。本机器最大的优点是加工速度快且做支 撑之粉末及扫除多余的粉末皆可回收使用，约为工速度的 10 倍 (大约 而且所完成的原型件品质好且表面佳。其工作方式如 图 2 y- sS t r s L as s S t r t r 度分析图 21 (a) 构造示意图 (b)加工流程 图 3402 加工原理图 活 塞 1活 塞 2噴嘴滾子粉末 22 第四章 实验 4验设备 项次 系统设备 规格 数量 1 次元测量仪 10 1(部 ) 2 快速成型机 Z 402 (部 ) 3 体 2001(套 ) 4 个人电脑 (部 ) 5 雷射喷墨印表机 P 1（部） 次元测量仪如图 4示，用于撷取实体原件的点资料。在撷取点资料之前，先规划好量测的路径及顺序，并在开始量测时，做测头的校正、基准面、基准轴的设定便可开始量测 。 量测完毕，便可将档案输出，作为绘制 图 4次元测量仪 23 2001图 4示，用于绘制 型。将量测到的尺寸资料，加以整理后，便能利用 将实体零件重建出来。绘制时可先将零件个别绘制出来，在开启组立档，组立所有的零件。 图 42001速成型机如图 4示，用于制造 型。我们将绘制好的过转档的动作，转成能让快速成型机所接受的 时便能将我们先前所绘制好的 喷墨印刷的方式，将成品堆迭出来，在经过一段干燥时间后，便可将成品挖掘出来，做些清理粉末的动作，即可的到所需的成品。或是去做更进一步的 利用，例如：制作快速模具 们制作出来的 过模框制作，混合硅胶，浇铸模体，抽真空，加热硬化，分割硅胶模，取出 可得到所需要的快速模具。 24 图 4速成型机 4实验流程 1. 设定量测点资料参数 2. 原始模型点资料量测 3. 量测点资料整理 4. 型建构 5. 转成三角网格档 （ ） 6. 快速成型模型制作 7. 设定加工参数及摆放位置 8. 开始成型 9. 干燥取出 10. 清理工件， 表面修饰 25 設定量測參數量測原始模型點資料量測點資料整理C A D 模 型 建 構實體轉成三角網格檔快速成型模型製作成品完成图 4统验证流程图 实例 零件点资料量测处理 26 量测顺序 (1)打开空压机 进入电脑 三分钟后打开机器电源 (让空气轴承能够确实充气 )按绿色键 (让机器回归机械原点 )等机器回到正常高度 进入主程式 (2)将量测工件放置于量测平台上并将其固定 开启新程式 进入单独学习模式 档案格式规划 建立测头资料 测头校正 (3)建立工件座标 基准面 基准轴 原点设定 开启输出档案(*启 开始量测所需尺寸 档案输出结束 闭 零件 型与零件组立 开 启新档 用内定模组 (1) 启绿色本体为主要参考本体 2) 启红色零件 红色零件与绿色零件之间的面能互相贴齐 红色零件与绿色零件之间的参考轴（自行设定）能互相对齐 3) 启黄色零件 红色零件与黄色零件之间的面能互相贴齐 红色零件与黄色零件之间的参考轴能互相对齐（位置在刚才做 方） 红色零 27 件与黄色零件之间的参考轴能互相对齐 4件组立图（ 1） 图 4件组立图（ 2） 快速原型制作 档：为一封闭的实体模型，可以是实体架构或是曲面架构。 28 ： 案内容为许多小三角形平面，它包含了每个三角形的单位法线向量及顶点座标。如图 转档流程 图 4转档流程（ 1） 图 4转档流程（ 2） 29 图 4转档流程（ 3） 在转档时，红色框框部分为调 整弦高度及角度变化量的控制。弦高度需调整到接近初始设定的最小值，在此我们取 度变化量则维持不变。做此设定，可让此档案在做 型时，避免锯齿状的表面产生，并能让成型面以较圆滑的曲面呈现出来。 前处理：主要目的是调整加工方位，建立支撑结构，设定加工参数。 图 4处理 30 型：目前所有 备都是以固