特种加工 逆向工程及快速成型技术应用.ppt

1.1逆向工程的定义1.2逆向工程的工作流程1.3逆向工程系统的组成1.4逆向工程与产品创新1.5逆向工程常用软件介绍,第1章逆向工程技术概述,设计,样机,生产,工程需求,图档,工业设计？样品？,试验,如何快速制造？,产品,小批量？,逆向工程、快速成形、快速模具是产品快速开发技术！,传统正向设计方法过程,传统正向设计方法表达,设计信息可用参数精确描述,逆向工程技术的产生,逆向工程的定义,逆向工程（ReverseEngineering，RE）是将实物模型转变为CAD模型的相关数字化测量技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。,1.2逆向工程的应用,设计物理模型到数字模型的转换引进技术的吸收消化和再创新试验模型转换成数字模型艺术品、文物复制医学应用（骨头、关节、牙齿、假肢）服装、鞋子、头盔、首饰的定制复杂型面制造质量的检测,是从实物到数字模型，再到产品（实物）的演化过程,1.3逆向工程的工作流程,1、工作流程,2、逆向工程的信息表达,形面构成复杂，设计信息难以用参数精确描述,逆向工程,型面数据测量,测量数据处理,数字模型重构,CMM激光扫描结构白光,NURBS(B-Spline)三角曲面三角面片,点云数据拼合特征边界提取数据精简等,3、研究内容,1.4逆向工程系统的组成,几何外形数字化,CAD模型重构,产品或模具制造,测量机与测量探头数据处理模型重建软件：一是用于正向设计的CAD/CAE/CAM软件；二是集成有逆向功能模块的正向CAD/CAE/CAM软件；三是专用的逆向工程软件，。此外，还要PDM等软件。支撑的硬件平台有个人计算机和工作站。CAE软件CNC加工设备快速成型机产品制造设备,系统,1.5逆向工程与产品创新,是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果进行创新构思，设计出具有科学性、创造性、新颖性及实用性的产品的一种实践活动，是创造具有市场竞争优势商品的过程。其基本特征是新颖性和先进性。,1、创新设计的定义,常规设计：一般只需对某些参数作些变动原理开拓型：运用新技术原理解决新问题、应用新技术原理解决老问题、对“旧”技术原理进行新的开发应用组合创新类：将已有的零部件，通过有机组合而成为一种产品，这种产品又能达到一种新的整体功效转用创新类：将已知的解决方案转用于另一类技术领域，并产生出新的效果利用性质类：利用常见的性质进行发明、利用性质组合进行发明、利用不常见的性质进行发明、通过发现客观世界的性质进行发明创造、发现涵盖一类现象的理论进行发明创造,2、创新设计的分类,就地出发型：需求适应法，希望实现法、缺点消除法、更材易质法、由此思彼法、联想推广法、类似比较法、仿生法、迂回转向法多项扩散型：扩展功能法、系统搜索法、分解组合法集思广益型：畅谈集智法、默写集智法、函询集智法,3、创新设计的方法,4、产品设计逆向工程的两种方式,一是由设计师、美工师事先设计好产品的油泥或木制模型，由坐标测量机将模型的数据扫入，再建立计算机模型。二是针对已有产品的实物零件，通常是国内外一些最新的设计产品，这种产品逆向设计方法也就是仿制。仿制是一种最低层次的逆向工程，有可能触犯法律。因此，需要对模型进行修改、再设计，以获得一个不完全相同甚至不同的新的结构外形，最终达到产品设计创新之目的。,5、逆向创新设计过程,创新设计应满足下列要求：满足内部结构要求；模型可方便地修改；有支持创新的CAD系统（决策、人工智能、知识库）目前，模型重建的主要方式是拟合曲面片，然后再建立产品的曲面整体以及实体模型。这种建模方式对恢复原型是有效的。但对模型进行修改或再设计，操作起来就显得十分困难。因此，需要寻求新的模型表达及建模方法。,6、支持创新的逆向建模方法,参数化、变量化建模,1.6逆向工程常用软件介绍,1、具有代表性的逆向软件：ImageWareSurfacer、Geomagic、Paraform、QuickShape、CopyCAD、SurfaceReconstruction、DigiSurf、Mimics、SurfaceStudio,1.6逆向工程常用软件介绍,2、GeomagicStudio软件：主要功能有：自动将点云数据转换为多边形（Polygons）快速减少多边形数目（Decimate）把多边形转换为NURBS曲面曲面分析（公差分析等）输出与CAD/CAM/CAE匹配的文件格式,1.6逆向工程常用软件介绍,3、工作流程：,扫描对齐扫描整理噪音减小采样,基于曲率的孔填充多边形编辑边界修补特征构建,特征识别特征线选取边界构建面片组织,目标组合扫描光滑数据,目标光滑曲面整理边界,目标规则化现状调整,第2章逆向工程数据测量与处理,2.1数据测量方法与特点2.2数据处理流程2.3数据测量与处理实例,2.1数据测量方法与特点,三坐标测量机(CMM)类型,按结构形式分为：移动桥式、龙门式、悬臂式、水平臂式、坐标镗床、卧式镗床和仪器台式等,三坐标测量机（CMM）,将被测物体置于三坐标机的测量空间，可获得被测物体上各测量点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算可求出被测得几何尺寸、形状和位置。,测量原理,组成：,三坐标测量机（CMM）,测头：按照结构原理，可分为机械式、光学式和电气式等按测量方法，可分为接触式和非接触式接触式触头可分为硬测头和软测头,激光扫描测头,模拟扫描测头,光学扫描测头,机械接触式测头,三坐标测量机（CMM）接触式特点,接触测量精度高，几个um可直接测量特征尺寸测量速度慢硬质表面内部尺寸受限制,光电式测头结构形式,三角法测头、激光聚集测头、光纤测头、体视式三维测头、接触式光栅测头,三角法测头基本原理,由激光器2发出的光，经聚光镜3形成很细的平行光束，照射到被测工件4上（工件表面反射回来的光可能是镜面反射光，也可能是漫反射光，三角法测头是利用漫反射光进行探测的），其漫反射回来的光经成像镜5在光电检测器1上成像。,1）由于不存在测量力，因而适合于测量各种软的和薄的工件；2）由于是非接触测量，可以对工件表面进行快速扫描测量；3）多数光学测头具有比较大的量程，在离工件表面很远的地方（如40mm100mm）也可对工件进行测量，且测头的测量范围也较大（如5mm10mm）。这是一般接触式测头难以达到的；4）可以探测工件上一般机械测头难以探测到的部位。最大的优点就是工作距离大，不过三角法测头的测量精度不是很高，其测量不确定度大致在几十至几百微米左右。,光学测头特点,电气式测头,类型：动态测头和静态测头动态测头（触发式）的结构形式和特点,动态测头结构简单、成本低，可用于高速测量，但精度稍低，而且动态测头不能以接触状态停留在工件表面，因而只能对工件表面作离散的逐点测量，不能作连续的扫描测量。,静态测头的结构形式和特点,静态测头除具备触发式测头的触发采样功能外，还相当于一台超小型三坐标测量机。测头中有三维几何量传感器，在测头与工件表面接触时，在X、Y、Z三个方向均有相应的位移量输出，从而驱动伺服系统进行自动调整，使测头停在规定的位移量上，在测头接近静止的状态下采集三维坐标数据，故称为静态测头。静态测头沿工件表面移动时，可始终保持接触状态，进行扫描测量，因而也称为扫描测头。其主要特点是精度高，可以作连续扫描，但制造技术难度大，采样速度慢，价格昂贵，适合于高精度测量机使用。,X向加力机构是利用电磁铁6推动杠杆5，使其绕十字片簧8的回转中心转动而推动中间传力杆7围绕波纹管4组成的多向回转中心旋转，由于中间传力杆与转接座17用片簧相连，因而推动测头在X方向“预偏置”。Z向加力机构是利用电磁铁9产生的，当电磁铁作用时，在Z向产生的上升或下降会通过顶杆12推动被悬挂的Z向的活动导轨板，从而推动测头在Z方向“预偏置”。,测头附件测端,为了扩大测头功能、提高测量效率以及探测各种零件的不同部位，常需为测头配置各种附件，如测端、探针、连接器、测头回转附件等。,测头附件探针,探针是指可更换的测杆。在有些情况下，为了便于测量，需选用不同的探针。探针对测量能力和测量精度有较大影响，在选用时应注意：1）在满足测量要求的前提下，探针应尽量短；2）探针直径必须小于测端直径，在不发生干涉条件下，应尽量选大直径探针；3）在需要长探针时，可选用硬质合金探针，以提高刚度。若需要特别长的探针，可选用质量较轻的陶瓷探针。,测头附件连接器,为了将探针连接到测头上、测头连接到回转体上或测量机主轴上，需采用各种连接器。常用的有星形探针连接器、连接轴、星形测头座等。,测头附件回转附件,对于有些工件表面的检测，比如一些倾斜表面、整体叶轮叶片表面等，仅用与工作台垂直的探针探测将无法完成要求的测量，这时就需要借助一定的回转附件，使探针或整个测头回转一定角度再进行测量，从而扩大测头的功能。,三坐标测量机测量软件,分为基本测量软件、专用测量软件和附加测量软件基本测量软件：必备的最小配置软件，负责完成整个测量系统的管理，通常具备以下功能（1）运动管理功能：包括运动方式选择、运动进度选择、测量速度选择；（2）测头管理功能：包括测头标定、测头校正、自动补偿测头半径、各向偏置、测头保护和测头管理。（3）零件管理功能：确定零件坐标系及坐标原点、不同坐标系的转换。（4）辅助功能：坐标系及单位的选择。（5）输出管理功能：输出设备选择、输出结果及格式的选择；（6）几何元素测量功能：,专用测量软件：是针对某种具有特定用途的零部件的测量问题而开发的软件。附加功能软件：为增加三坐标测量机的功能和用软件补偿的方法提高测量精度提供的软件，有附加驱动软件、最佳配合测量软件、统计分析测量程序软件、随行夹具测量软件,三坐标测量机测量软件,2.2数据处理流程,数据预处理目的：获得完整、正确的测量数据以方便后续的造型工作。主要工作：格式转换、数据过滤及平滑、分块数据整合对齐、球头半径补偿、数据精简、数据分割,1、格式转换,每一个CAD系统都有自己的数据文件，其系统内部产品模型的数据结构和格式各不相同，极大地影响了设计和制造各部门之间或企业之间的数据传输和程序衔接的自动化，给数据通讯带来困难。,主要的数据交换标准：IGES、STEP、STL等。在CMM和CAD/CAM系统之间以IGES格式传输数据成为标准的选择和配置。,2、球头半径补偿,二维自动补偿方法：在测量时，将测量点和测头半径的关系都处理成二维情况，并将半径计算编入测量程序中，在测量时自动完成数据的测头补偿。根据补偿时间可分为实时自动补偿和事后数据处理补偿。,3异常点（误差点）处理,采用人工交互检查、调整的方法对于截面数据，若在同一截面的数据扫描中，存在一个点与其相邻的点偏距较大跳点，判断的方法有：（1）直观检查法屏幕上直接剔除；（2）曲线检查法根据点到拟合曲线（过首末点）的距离是否超过所给定的允差；（3）弦高差方法根据点到弦（过检查点前后两点）的距离是否超差；,4数据拼合三点拼合标记球法,数据拼合三点拼合MARK点法,数据拼合最临近点迭代(ICP)法,初始对正确定两点云数据的重叠区域ICP,数据拼合实例,5数据平滑,目的：消除噪声，以得到精确的模型和好的特征提取效果。采用平滑法处理方法，应力求保持待求参数所能提供的信息不变。有平均法、五点三次平滑法和样条函数法。,6数据处理流程,2.3数据测量与处理实例,例：汽车覆盖件点云数据的处理（900,000个点）,原始数据：体外点，噪声点,删除体外点,删除噪声点,消除体外点及噪声点后的点云,效果比较,数据精简：150,000,第3章三维CAD模型重构,3.1曲面重构方法3.2曲面模型重构的工作流3.3曲面重构的实例,分类：（1）按数据类型分：有序点和散乱点的重建；（2）按测量机的类型分：基于CMM、激光点云、CT数据和光学测量数据；（3）按造型方式分：基于曲线的模型重建和基于曲面的直接拟合；（4）按曲面表示分：边界表示、四边B-样条表示、三角面片(B-样条、Bezier)和三角网格（平面）表示的模型重建,3.1曲面重构方法,3.1曲面重构方法,目前，在反求工程中主要有3种曲面重构方法：以Nurbs曲线为基础的曲面重构方法；以三角Bezier曲面为基础的曲面重构方法；以多面体方式描述曲面产品。三维重构时必须考虑以下2个关键问题：一是怎样用比较简单的几何元素对模型进行表达；二是怎样找到原始设计者的造型思路或痕迹，并以类似（最好是相同）的几何元素来构建CAD模型。,B样条及NURBS曲面表示是目前成熟的商品化CAD/CAM系统中广泛采用的曲面表示方法,这类曲面可以应用四边参数曲面片插值、拉伸、旋转、放样(Lofting)或蒙皮(Skining)、扫掠(Sweeping)、混合(Blend)和四边界方法(Boundaries)构造,也称矩形域的参数曲面获四边曲面,以此为基础,已形成一套完整的曲面延伸、求交、裁剪、变换、光滑拼接及曲面光顺等算法。,1、插值(Interpolation),给定一组有序的数据点Pi(i=0,1,n)，构造一条曲线顺序通过这些数据点，称为对这些数据点进行插值(Interpolation)，所构造的曲线称为插值曲线，所构造的曲面称为插值曲面。,1）优点与测量点的误差为零2）测量点过多时，控制困难3）测量有误差时，光顺性差,2、拉伸(Extrusion)使选定曲线的端点延伸到指定点（屏幕、曲线、曲面），或使选定曲线的端点延伸指定长度。,3、旋转(Revolving)使选定的界面曲线绕一轴线旋转一定的角度所形成的曲面。4、放样(Lofting)或蒙皮(Skining)5、扫掠(Sweeping)6、混合(Blend)7、四边界,3.2曲面模型重构的工作流程,第5章快速成型技术的数据处理,5.1概述5.2快速成型的数据来源5.3快速成型的数据接口5.4快速成型软件的分层数据处理5.5数据处理实例,5.1概述,快速成型是从零件的CAD模型或其它数据模型出发，分层处理软件将三维数据模型离散成截面数据，输送到快速成型系统成型的过程，其数据处理流程为,RP的数据处理过程,5.2.1RP技术中的数据来源1）三维CAD模型2）逆向工程数据3）数学几何数据4）医学/体素数据5）分层数据（2D-CAD数据）,5.2快速成型的数据来源及数据接口格式,1）三维面片模型格式（如STL、CFL格式）、2）CAD三维数据格式(如IGES、DXF、STEP格式)、3）二维层片数据格式（如CLI、SLC格式）。,5.2.2数据接口格式,三维面片模型文件STL,是通过对CAD实体模型或曲面模型进行表面三角形离散化得到的，从几何上看，是由小三角形面片构成的三维多面体模型。,STL文件,STL文件是一种由小三角形面片的集合。从几何上看，每一个三角形面片用三个顶点表示。每个顶点由其坐标(X,Y,Z)表示。由于必须指明材料包含在面片的那一边，所以每个三角形面片还必须有一个法向，用(Xn,Yn,Zn)表示。,STL文件格式的优点主要有：1)数据格式简单，分层处理方便，与具体的CAD系统无关。2)对原CAD模型的近似度高。原则上，只要三角形的数目足够多，STL文件就可以满足任意精度要求。3)具有三维几何信息，而且是用面片表示，可直接作为有限元分析的网格。4)为几乎所有RP设备所接受，已成为大家默认的RP数据转换标准。,STL文件格式的缺点主要有:1.模型精度的损失(近似描述、坐标精度损失)；2.不含CAD拓扑关系，材料等属性信息；3.文件数据量大，冗余量大；4.易产生重叠面、孔洞、法向量和交叉面等错误及缺陷。,5.2.3STL文件格式,Solid零件名facetnormalnx,ny,nzouterloopvertexV1x,V1y,V1zvertexV2x,V2y,V2zvertexV3x,V3y,V3zendloopendfacetEndsolid零件名,STL文件有两种输出格式,ASCII码和二进制码。ASCII码输出格式如下：facetnormal0.000000e+000.000000e+001.000000e+00outerloopvertex2.029000e+001.628000e+009.109999e-0.1vertex2.229000e+001.628000e+009.109999e-0.1vertex2.229000e+001.672000e+009.109999e-0.1endloopendfacet,二进制格式文件所占用的空间比ASCII码格式小得多，约1/6但是ASCII码格式可以阅读并能进行直观检查。,一般情况下，三角形的个数与该模型的近似程度密切相关。三角形数量越多，近似程度越好，精度越高；三角形数量越少，则近似程度越差。用同一CAD模型生成两个不同的STL文件，精度高者可能要包含多达10万个三角形面片，文件达数兆，而精度低者可能只用几百个三角形面片，这对后续处理的时间和难度影响很大。,正确的STL文件应满足以下条件：1、所有法向均正确；2、所有三角形面片的连接符合点对点的原则，即每一条边均与且只与两个面相接；3、每个点由一组单循环的边和面所围绕。,一边共多面,空间相交,法向错误,STL文件错误分析,1、法向错误，相邻三角形法向矛盾，造成分层时截面轮廓不封闭；2、裂缝或空洞，曲面拚接时造成面片丢失或空洞，违反点对点原则。在成形时会造成扫描填充不必要的地方而影响成形件的表明质量；3、三角形的一个点落在另一三角形的边上，违反点对点原则；4、同法向面片重叠，造成扫描线重叠；,5、反法向面片重叠，造成两面所围成的体积为零，结果将连成一体的零件分为两部分；6、非正则情况，一条边由三个面或更多的面共有。当面片数为奇数时肯定存在悬面；7、不正确的相交和自相交。当文件不是原始的CAD模型时，必须直接对STL文件进行检验和修改，保证分层正确。,5.3快速成型软件的分层数据处理,RP分层数据处理包括三个主要部分：STL文件处理、层片文件处理和工艺处理。其中STL文件处理和层片文件处理部分主要考虑离散/堆积过程中的离散过程，它们将各种三维几何实体或表面模型，以及医学CT、MRI的二维层面转化为RP设备所能接受的分层格式并作相应处理。工艺处理与具体的RP工艺、材料及相应的零件（原型）后处理过程密切有关,5.3.1STL文件的检验与修复,快速成型制造中常见的STL错误1）间隙（或称裂纹，空洞），这主要由于三角面片的丢失引起的。当CAD模型的表面有较大曲率的曲面相交时，在曲面的相交部分会出现丢失三角形面片而造成空洞。2）法向量错误。3）顶点错误，即三角形的顶点落在另一三角形的某条边，使得两个三角形共用一条边，违背了STL文件的共点原则。4）重叠和分离错误。重叠和分离错误主要是有三角形顶点计算时的舍入误差造成的，在STL文件中，顶点坐标是单精度浮点型，如果圆整误差范围较大，就会导致面片重叠或分离。5）面片退化。面片退化是指小三角型面片的三条边共线。这种错误常常发生在曲率剧烈变化的两相交曲面的相交线附近，这主要是由于CAD软件的三角网格化算法不完善造成的。6）拓扑信息的紊乱。,STL文件出现的许多问题往往来源于CAD模型中存在的一些问题，对于一些较大的问题（如大空洞、多面片缺失、较大的体自交），最好返回CAD系统处理。一些较小的问题，快速成型数据处理软件提供自动修复的功能，不用回到CAD系统重新输出，这样可节约时间，提高工作效率。,目前，已有多种用于观察和修改STL格式文件的专用软件，如Aurora软件RapidPrototypingModule软件RapidEditor软件Magics软件这些软件提供了强大的编辑、修复功能，能完善处理STL文件。,Aurora软件,Aurora是专业迅速成型(简称RP)数据处理软件,它接受STL模型,进行分层等处理后输出CLI格式标准文件,可供多种工艺的迅速成型系统应用.Aurora软件功能可以非常完备,处理STL文件方便、迅捷、准确,应用特别简单,可以有效地提高RP加工的效率.,Aurora数据处理软件功能,（1）输入输出：STL文件（二进制和ASCII），CSM文件（压缩的STL格式，压缩率为三），CLI（二进制和ASCII）。(2)三维模型的显示：,（3）校验和修复：自动对STL模型进行修复，用户无需交互参与；同时提供手动编辑功能,（4）成形准备功能：用户可对STL模型进行变形（旋转，平移，镜像等），分解，合并，切割等几何操作；自动排样（二维，三维）可将多个零件快速的放在工作平台上或成形空间内，提高快速成形系统的效率。,（5）自动支撑功能：根据支撑角度，支撑结构等几个参数，Aurora自动创建工艺支撑。,（6）分层功能：可将STL文件分层，能输出不同工艺的层片文件，容错性能好，对STL模型上的裂缝，空洞等错误能自动修复。,5.3.2工艺处理,1零件分割拼合当零件的结构复杂，成型支撑无法去除或大型零件的尺寸超出成型机工作范围，需对零件进行分割与拼合。在快速成型之前，首先要将零件CAD模型分割成若干子块，并根据零件的几何特征和组合特点，结合成型机的工作范围，确定子块分割的数目，整体上进行分块布局。,汽车密封条三维模型的分割,电视机前面板的制作,2添加支撑,RP工艺中所用的支撑相当于传统加工中的夹具，起固定零件的作用。当上层截面大于下层截面时，上层截面多出的部分由于无材料的支撑将会出现悬浮(或悬空)，从而使多出的截面部分发生塌陷或变形甚至使零件不能成型。有些成型工艺中的支撑是生产过程中自然产生的。分层实体制造(LOM)中切碎的纸、三维印刷(3DP)中未粘结的粉末、选择性激光烧结(SLS)中未烧结的材料都成为上一层的支撑。对于熔融堆积成型(FDM)和光固化成型(SLA)必须人工加支撑或通过软件自动加支撑,支撑,支撑按其作用不同分为基底支撑和对零件原型的支撑，基底支撑是加于工作台之上，形状为包络零件原型在XOY平面上投影区域的矩形,基底支撑的作用1）便于零件从工作台上取出。2)保证预成型的零件原型处于水平位置，消除工作台的平面度所引起的误差。3)有利于减小或消除翘曲变形。,支撑添加需考虑如下因素：,1）支撑的强度和稳定性保证自身和上面的原型不会变形或偏移；2）支撑的加工时间成形时间短，节约成型材料3）支撑的可去除性降低对原型表面质量的损害，方便后处理,支撑,3成型方向,在快速成型制造中，STL模型的定向决定了成型方向，即成型时每层的叠加方向，它是影响原型制作精度、制作时间、制作成本、原型强度以及制作过程中所需支撑多少的重要原因。在成型时首先要选择一个优化的分层方向(成型方向)。,RP技术是一种离散/堆积分层制造技术，零件的定向和摆放对零件的成形过程的正常进行，成形的精度和表面质量，加工时间以及支撑的添加等均有较大影响。在工艺处理时，必须根据成型零件的具体要求综合考虑。如果制作原形件的主要目的是为了进行外观评价，那么选择成型方向时则应把保证原型表面质量放在首要位置来考虑；如果制作原型的目的是为了装配检验，则应首要考虑的是装配