先进制造技术-第三次教案

教案授课时间月 日 至 月 日课时数授课方式理论课 讨论课 习题课 实验课 上机课 技能课 其他授课单元第二章 现代设计技术（ 第二节 反求工程设计技术）目的与要求1掌握反求工程设计的基本步骤2. 掌握反求工程设计中涉及的关键技术3. 了解反求工程的分类和实物反求工程的应用重点与难点重点：反求工程设计的基本步骤和涉及的关键技术难点：反求工程设计所涉及的关键技术主要内容第二节 反求工程（Reverse Engineering,RE）反求工程的含义：新产品开发的模式；反求工程分类；实物反求工程；实物反求工程的应用反求工程设计的基本步骤反求工程的关键技术：反求对象分析；反求对象的几何参数采集；模型重构技术教学方法手段（教具）讲授；多媒体和板书相结合；启发式和讲解式、引导式和提问式教学方法参考资料1.盛晓敏著先进制造技术北京：机械工业出版社，2000。2.孙大涌著先进制造技术北京：机械工业出版社，1999。3.张根保著先进制造技术重庆：重庆大学出版社，1996。 4.中国机械工程、机械工程学报、制造技术与机床等科技核心期刊。思考题、作业 讲稿第二章 现代设计技术第二节 反求工程（Reverse Engineering,RE）1.反求工程的含义1）新产品开发的模式 正向工程: 是根据零件最终所承担的功能，从无到有，从概念设计出发，进行功能设计和详细设计，最终完成产品开发和制造零件。见下图： 反向工程（反求工程、逆向工程）: 是从产品的有关信息（实物、软件和影像等）寻找这些信息的科学依据，加以消化和吸收，再现出产品，产品的CAD模型是在这些信息的基础上建立的。见下图：2）反求工程分类根据产品信息的来源不同分为： 实物反求产品的实物模型； 软件反求图样、数控程序、技术文件； 影像反求图片、照片或影像等。3）实物反求工程是在没有CAD模型和没有设计图纸或者设计图纸不完整的情况下， 按照现有零件的实物模型，利用各种数字化技术及 CAD 技术重新构造样件CAD模型的过程。以CAD/CAM软件为基础的反求工程应用越来越广泛，基本过程是：测量，将所获得的特征数据借助于计算机重构反求对象模型，对重建的模型进行创新改进、分析，进行数控编程，快速加工出产品。 反求工程的目的是完成反求对象的仿制和改进。4）实物反求工程的应用（1）在没有原始设计 CAD 模型和没有设计图纸或者设计图纸不完整的情况下 ，在对实物进行测量的基础上重构其CAD模型或进一步生成零件的设计图纸，并以此为依据生成数控加工的NC代码或应用快速原型技术，加工复制出一个相同的零件；（2）在新产品的开发中， 当设计需要通过实验测试或外观美学评估才能定型的工件模型时，通常先制造出该产品的油泥模型或木质模型，然后对这个油泥模型或木质模型应用反求工程获取该产品的CAD模型；（3）在批量生产中，每个产品的外形都有着细微的差异这时通过反求工程建立的CAD模型，可以作为工业检测的重要依据；（4）艺术品、考古文物的复制；（5）人体中骨头和关节等的复制、假肢的制造（6）特种服装、头盔的制造，要以使用者的身体为原始设计依据，用RE建立人体的几何模型反求工程的实现需要多种途径和手段，涉及影响因素，如：信息源的形式；反求对象的形状、结构和精度要求；制造企业的软件、硬件条件及工程技术人员的素质。 反求工程不同于一般常规产品的仿制，一般采用此技术开发的产品往往比较复杂，一般都由复杂曲面构成，精度要求也高，所以必须借助于计算机辅助（CAX）技术手段。2. 反求工程设计的基本步骤（1）分析阶段 反求对象的功能原理、结构形状、材料性能、加工工艺。明确其关键功能和关键技术。通过分析可以确定实物的技术指标和几何元素之间的拓扑关系；（2）再设计阶段 根据分析结果和实物模型的几何元素拓扑关系，制定零件的测量规划，确定测量设备、测量顺序和精度等； 修正测量数据，剔除测量数据中的坏点、明显不合理的测量结果； 按照修正后的测量数据以及反求对象的几何元素托仆关系，利用CAD系统，重构几何模型； 再设计，创新和改进。（3）反求产品的制造阶段 按通常的制造方法，完成制造，并采用一定的检测手段，进行结构和功能检测，修改设计。3. 反求工程的关键技术（1）反求对象分析 根据实物，分析其功能、原理、材料性能、加工工艺等。是反求工程成败的关键。1）反求对象的功能及原理分析 分析了解实物所具有的功能，以及实现功能的原理和方法，获得原理方案。2）反求对象的材料分析 材料成分的分析，材料组织结构分析和材料的性能检测等。3）反求对象的加工、装配工艺分析 对反求对象进行分析，怎样加工和装配来保证其性能要求。4）反求对象的精度分析 产品精度直接影响到产品性能。包括反求对象形体尺寸的确定和精度分配等。进行精度分配时，需考虑产品的精度指标，技术条件和工作原理，企业的生产技术水平和国家技术标准等。5）反求对象的造型分析 造型设计运用工业美学、产品造型原理、人机工程学原理，对产品外形，色彩，质地，提高外观质量，舒适性及方便性。6）反求对象的系列化、模块化分析 系列化和模块化有利于产品的多品种、多规格和通用化设计，以提高质量，降低成本。（2）反求对象的几何参数采集 是一个关键环节。根据反求对象，确定其形体的尺寸。实物反求中，确定形体尺寸，可以采用的手段有： 以圆规、卡尺、千分尺等简易测量工具进行手工测量； 采用机械接触式坐标测量设备； 采用激光、数字成像、声学等非接触测量设备。此方法能得到较为精确模型数据，但相应的测量设备也较昂贵，对技术人员的要求也高。 目前，实物反求中的形体几何参数测量方法主要有以下方法：接触式测量是通过传感头与实物接触而记录实物表面的坐标位置，可分为点接触式数据采集和连续式数据采集。探针尖逐点移动是点接触式数据采集。采样头连续移动是连续式数据采集。接触式测量精度一般较高，但测量速度效率较低。 三坐标测量机CMM（3D-Coordianate Measure Machine）是一种接触式测量设备。测量精度高可达0.5微米。不适合大块曲面的大量点的测量，也不能对橡胶、黏土、弹塑性材料、超薄材料进行测量。非接触式测量主要有基于光学、声学、磁学等原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为实物表面的坐标点。 结构光法，是将条形光、栅格光投影到被测物体表面，并捕捉被曲面反射后的图像，通过图像的分析获得三维点的坐标。 激光测距法，是将激光束的飞行时间转化为被测点与参考平面之间的距离。 声纳测量仪，利用声音发射到被测物体后产生回声的时间差来计算与被测点的距离。 逐层扫描测量方法有非破坏性测量和破坏性测量两种：破坏性测量有CGI，是美国的公司的，逐层除去材料的方法，获得界面图像，来得到轮廓尺寸。（3）模型重构技术模型重构，就是根据所采集的实物几何数据在计算机内重构实物模型的技术。 测量后的数据，一般都是点云，常达几十万甚至上百万个数据点。重构过程就是采用适当的算法将集中的三个测量点连成小三角片，各个三角片之间不能有交叉、重叠、穿越或存在缝隙，从而使众多的小三角片连接成分片的曲面。 1）数据预处理 数据量极大，并包含一些噪声数据。对原始数据进行过滤、筛选、去噪、平滑和编辑等操作。 2）网格模型生成通过适当的方法生成三角网格模型。可以开发配套的专用模型重构软件，也可采用通用的反求工程模型重构软件生产网格模型。 3）网格模型后处理 小三角面片数量较大，在精度允许的范围内，有必要对三角网格简化。孔洞、缝隙和重叠等缺陷，需要对其进行修补。目前，已有商品化的反求工程软件进行反求模型重构： 美国Imageware公司的Surfacer软件 英国Delcam公司的Copycad软件 美国Raindrop公司的Gemgic stud