关于“反求工程与快速成型一体化应用研究”的学习总结

1、关于“反求工程与快速成型一体化应用研究”的学习总结机研0804 朱晓博 （）快速成型技术(Rapid Prototyping&Manufacturing,RP&M)是20 世纪80 年代末期发展起来的一项先进制造技术, 它借助计算机、激光、精密传动、精密伺候等现代化手段, 将计算机辅助设计(CAD) 、计算机辅助制造(CAM) 、计算机数字控制(CNC) 集成于一体, 根据在计算机上构造的三维模型, 能在短时间内运用一定材料制造产品样品, 无需传统的机械加工机床和模具的一种添加成型技术1。反求工程技术(Reverse Engineering, RE) 又称逆向工程技术, 是以产

2、品及设备的实物、软件( 图样、程序及技术文件) 或影像(图片、照片)等作为研究对象, 反求出初始的设计意图。简单说, 反求就是对存在的实物模型或零件进行测量并根据测量数据重构出实物的CAD 模型, 进而对实物进行分析、修改、检验和制造的过程。这里所指的反求是实物反求。反求工程是快速成型制造的重要数据来源之一, 将反求工程与快速成型技术相结合, 能够在已有样件或原型的基础上进行复仿制, 进行迅速评价、修改和产品的创新再设计, 并自动快速地将设计转化为具有相应结构和功能的原型产品或直接制造出零部件, 缩短新产品的设计和研制周期, 降低新产品的研制成本和风险, 从而快速响应市场需求, 提高企业竞争力

3、。作为一种处理难以用CAD 设计的零件模型以及表面形状极不规则的产品模型的最有利的土具, 可以实现零件的快速三维复制、CAD 建模和快速制造。它与快速成型的结合形成了一个设计、制造、检测的快速设计制造闭合系统。本文主要讨论反求工程和快速成型的一些技术, 并举出实例。1 反求工程数据处理的主要内容1.1 数据处理构造CAD 几何模型前, 反求工程大致分三个阶段: 首先对已有三维实体模型进行数据采集(又称零件数字化) , 生成数据“点云”; 然后对数据“点云”进行滤波去噪处理, 去除点云数据中的“坏点”; 最后通过曲面构造技术对数据点云进行曲面拟合, 生成三维曲面模型。1.2 反求工程与快速成型的

4、数据交换数据交换主要包括以下方面3: 用反求技术直接生成STL 文件, 供RP 系统的数据处理软件直接使用, 产生代码; 利用反求技术生成层片文件-CLI(Common Layer Interface)文件, 这种输出比较适用于对各种CT 图像的反求, 并且由于RP 本身就是分层制造法, 用断层图像或矢量化的层片轮廓信息直接驱动RP 设备逐层叠加而成三维实体; 利用反求技术来重构出实体模型, 借助于CAD 系统来转化成STL 文件。对于快速成型技术来说, 反求工程目的之一在于获得产品的几何造型与结构数据, 通过各种三维数字化仪得到零件造型和结构数据后, 可以借助三维重构技术在CAD 软件中重新

5、编辑( 修改和缩放) , 再转换成G-Code 或STL 文件, 供快速原型制造设备使用, 从而可直接加工制作出相应的模具、模型或零件。2 反求工程与快速成型一体化2.1 三维数据采集目前先进的快速成型技术进行的前提就是有成型对象的三维模型数据。所以物体三维表面测量及重建技术是以上技术实现的第一个步骤, 有着重要的理论意义和实际意义。测量物体表面的数据点并再现物体形状, 将其应用于制造等领域一直是人们所追求的。三维数据的获取方法分为两大类, 接触式与非接触式测量方法: 接触式测量方法通过传感测量头与样件的接触而记录样件表面的坐标位置, 可以细分为点触发式和连续式数据采集方法;非接触式测量方法主

6、要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理, 将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。根据测量原理的不同, 大致有光学测量、超声波测量、电磁测量等方式, 这种方法的一个应用是三维扫描技术, 它是一种立体测量技术。与传统的技术相比,能够完成复杂形体的点、面、形的三维测量, 能进行高精度的快速无接触测量。2.2 三维模型重构和关键技术2.2.1 三维模型重构在重建过程中存在许多干扰和不确定性因素, 如表格误差、测量精度和方式、数据处理方式、表面重构方式等。反求工程是基于已有实物模型或零件的测量数据的情况下, 进行物体CAD 模型重建的过程。通常, 需要进行人工干预来调整重构模型的表

7、面参数。因此, 整个反求工程过程是一称之为曲面重建。目前, 在反求工程中, 主要有3 种曲面构造方案: 以B-Spine 或NURBS 曲面为基础的曲面构造方案; 以三角Bezier 曲面为基础的曲面构造方案; 以多面体方式来描述曲面物体。曲面重构的关键技术, 包括数据采集、数据筛选、曲线拟合、曲面拟合等。在曲面重构过程中, 既要保证曲面质量, 又要保证设计精度。2.2.2 关键技术曲面分层是曲面成形的关键技术之一。曲面分层是以一系列的曲面与CAD 模型求交。分层曲面如何确定是分层技术中的关键之一。曲面成形是为了解决小倾斜度表面的台阶误差问题, 所以分层曲面需根据零件表面来确定。第二是要根据关

8、键曲面, 构造更多的中间分层面, 以保证层与层之间不会出现超出系统成型能力的厚度。成形控制技术是曲面成形的另一个关键技术。目前在曲面成形方面有以下几个问题需要解决: 构造分层曲面, 包括确定曲面和构造过渡曲面; 分层算法。现有分层算法用平面和CAD 模型求交, 而曲面和CAD 模型的求交算法则很复杂; 喷头运动轨迹控制。由于制造层片增加时增加了厚度层, 需使用三轴联动的运动控制系统, 同时喷头的运动还要避免已成原形, 防止破坏; 材料输送匹配。需要根据喷头速度和成形高度实时控制材料的挤出量, 消除过堆和欠堆。2.3 一体化应具备的特点一个与快速成型技术完全匹配的反求系统应具备关键的七个特点:

9、测量速度快, 精度高(±10m); 能测量内外轮廓, 最好不破坏样件; 能把测量数据转换成CAD 模型; 具有把CAD 模型文件转换成STL 文件的功能并能直接切片; 能自动化测量, 且成本低; 不受或尽量不受外界条件和环境的限制; 能测量各种材质、形状且具有不同物理性能的物体。2.4 一体化流程描述重构的一体化流程如图1 所示。3 反求工程应用实例利用反求工程对实物汽车引擎盖进行三维重构, 具体步骤6-9是:(1)点云的采集利用三坐标ATOS 测量机生成的引擎盖自由曲面的扫描数据点云, 如图2(a) 。(2) 创建曲线这里应用软件Imageware 对喷头做点云数据进行处理, 对读

10、入的点云进行曲线编辑和修改, 使曲线均匀并且兼容, 如图2( b) 。(3) 生成曲面对曲面进行编辑、验证和修饰, 如图2( c) 。Imageware 在曲面构造方面是基于NURBS来完成的,又称非均匀有理B 样条曲面,它的数学模型为: 式中:di,j 为控制顶点,呈拓扑矩形阵列,形成一个控式中:di,j 为控制顶点,呈拓扑矩形阵列,形成一个控制网格, i=0, 1, , m; j=0, 1, , n; #i,j 为与顶点di,j联系的权因子, 规定四角顶点处用正权因子,即#0,0,#m,0,#0,n,#m,n>0, 其余i,j0 且顺序k×l 个权因子不能同时为零; Ni,

11、k (!), Nj,l (")为分别为u 向k次和" 向l 次的规范B 样条基。(4) 对生成的曲面进行误差分析其实质是对生成的曲面与点云数据进行对比分析, 比较曲面与点云数据的误差, 如图2(d)。(5)汽车引擎盖胶模制作采用西安交通大学先进制造技术研究所研制开发的激光快速成型机(LaserPrototypingSystem)SPS-600 制作光敏树脂原型,采用光固化树脂在成型机里进行浇注, 此过程主要以快速成型制作的原型作为母模进行硅橡胶模的制作。其工艺流程为:将母模放入型框,在真空浇注机中注入混合好的液态硅橡胶, 再放到烘箱中固化, 便得到硅橡胶模。按照零件的复杂程

12、度设计分模面,将硅橡胶模切割成上下两块, 取出母模便制作完毕。当需要复制原型时, 尤其对于批量不大的塑件生产, 可以采用RP原型快速翻制的硅橡胶模具通过树脂材料真空注型来实现。这里将快速成型技术与铸造工艺的结合使得快速成型技术与铸造技术两者的优点均得到充分的发挥。4 总结与思考基于RP 技术的快速模具制造由于技术集成度高,从CAD数据到物理实体转换过程快,制模成本低,精度和模具寿命能满足某种特定的功能需要, 综合经济效益良好,特别适用于新产品开发试制、工艺验证和功能验证。反求工程是处理难以用CAD 设计的零件模型以及表面形状极不规则的产品模型的最有利的工具, 可以实现零件的快速三维复制、CAD 建模和快速制造。较之于规则曲面零件, 复杂曲面零件的设计、加工、精度检验等信息的获取要复杂得多, 通常采用反求工程技术来完成。今后