反求设计实验报告

反求设计实验报告一.反求设计理论的分析反求工程的概念与内容人们通常所称的设计，一般均指正向设计。先是市场调研设计要求，然后设计师创造性的劳动，最后完成产品的设计。而反求工程则是在己知某种产品的有关信息（包括硬件、软件、照片、广告、情报等）的条件下，以方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，回溯这些信息的科学依据，即寻求这些信息的先进性、积极性、合理性、改进的可能性等等，达到充分消化和吸收，然后在此基础上改进、挖潜进行再创造，反求工程是己有设计的设计。反求工程涉及的内容比较广泛，包括几何形状反求、材料反求、工艺反求等许多方面。一般可以按反求对象分为以下三类：实物反求；软件反求；影像反求。从狭义上说，反求工程主要指几何形状反求。传统的几何形状反求的工作流程如下：图1.1传统几何形状反求的工作流程这种反求方式往往带来以下问题：a.仿制精度不足，翻制模具和手工测绘难以保证精度；b.加工工艺复杂，需要经验丰富的熟练技工；c.处理方式有限，对于一些复杂曲面难以加工；d.花费成本太大，需要多种加工设备和工具；e.开发周期长，模具的制造要耗费大量的工时；f.改变设计困难，不便对产品进行改进。总之传统的反求方式使得设计制造与开发产品的效率很低，而且主要是用来仿制已有产品，难以作为一种创新设计手段。这些问题使反求工程的应用范围也因此受到了很大限制。近十几年来，随着信息技术、测控技术、计算机技术的曲面重构技术、快速原型制造等技术的发展与兴起，反求工程技术也得到了迅速的发展，并广泛地应用于机械、家电、航空、汽车、轻工、医疗等领域。较之于传统的反求技术，速度大为提高。现有的反求工程就是指根据先进的测量设备从实物模型测得的数据，构造出该物体CAD模型，继而将这些模型和设计表征用于产品的分析和制造。它可以方便快捷地提取难以用CAD设计的零件以及艺术模型的数据。它在产品快速设计与快速制造方面具有重要意义。目前反求工程的工作流程如下：图1.2目前几何形状反求工程的工作路线逆向工程工作步骤反求技术是利用电子仪器去收集物体表面的原始数据，之后再使用软件，计算出采集数据的空间坐标，并得到对应的颜色。扫描仪是对物体作全方位的扫描、然后整理数据、三维造型、格式转换、输出结果。整个操作过程，可以分为四个步骤：1）零件原型的数字化。通常采用接触式或非接触式测量方法来获取零件原型表面点的三维坐标值02）测量数据点的预处理。包括数据点噪声剔除、数据简化、数据平滑、数据分块、特征提取等。3）零件原型CAD模型的重建。将分割后的三维数据在CAD系统中分别进行零件原型曲面模型的拟合，并通过各曲面片的求交与拼接获取零件原型的CAD模型。CAD模型的检验与修正。根据获得的CAD模型加工出样品，重新测量加工模型，检验重建的CAD模型是否满足精度或其它试验性能指标的要求，若不满足要求则重复以上过程，直至达到设计要求。图1.3逆向工程流程图逆向工程的应用范围目前，随着测量技术、材料技术及先进制造技术的迅速发展，逆向工程在制造业得到了广泛的应用，尤其在航空、航天、汽车、家电、模具等行业中表现出越来越大的应用潜力和前景。逆向工程的具体应用主要表现在以下几个方面：1）基于实物模型的产品外型设计。当设计师难以直接用计算机进行某些物体如复杂的艺术造型、人体和其他动植物外形等的三维几何没计时，常用黏土、木材或泡沫塑料等材料进行初始外型设计（概念设计），这就需要通过逆向工程将实物模型转化为三维CAD模型。2）对现有产品的局部修改。由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，经常要对已有的产品做局部修改。在原始设计没有三维CAD模型的情况下，若能将实物通过数据测量与处理产生与实际相符的CAD模型，对CAD模型进行修改后再进行加工，将显著提高生产效率。因此，逆向工程在改型设计方面可以发挥不可替代的作用。3）对无法得到图纸的已有产品数字化。传统产业的很多产品往往无图纸可用，需要采用逆向工程的方法来实现传统产品的数字化。因此，逆向工程技术是改造传统产业、推动产品更新换代，带动产业结构升级的重要手段。4）以已有产品为基准点进行的设计（benchmarking）。借鉴别人的成功设计并在此基础上进行产品创新设计是赶超同类行业先进水平的一个重要捷径，也是当今的一条新设计理念。5）磨损或损坏物体的还原。某些大型设备，如航空发动机、汽轮机组等，常会因为某一零部件的损坏而停止运行，通过逆向工程手段，可以快速生产这些零部件的替代件，从而提高设备的利用率和使用寿命。6）医学模型制作。逆向工程系统可以通过CT、MRI等临床检测手段获取人体扫描的分层截面图像，并将数据传送至RPM系统，制作出人体局部或内脏器官的模型。7）工业产品无损探伤。借助于层析x射线摄影法（CT技术），逆向工程还可以快速发现、度量、定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤的重要手段。8）产品的检测。通过逆向工程技术，利用CAD信息自动生成测量程序，通过三坐标测量机完成对产品的测量任务，获得测量结果后再与CAD信息进行比较来评价产品的加工准确度。逆向工程与传统正向设计制造过程是截然不同的设计流程。逆向工程中，按照现有的零件原型进行设计生产，零件具有的几何特征与技术要求都包含在原型中，而正向设计是根据零件最终所承担的功能以及各方面的影响因素进行从无到有的设计。因此，从概念设计出发到最终形成CAD模型的传统设计是一个确定的明晰过程，而通过对现有零件原型数字化后再形成CAD模型的逆向工程是一个推理、反复逼近的过程，具有功能导向、描述模式、系统仿造等特性。逆向工程系统零件的数字化和计算机辅助反向建模（ComputerAidedReverseModeling,简称CARM）是逆向工程的两项关键技术。逆向工程的系统组成主要包括以下几个方面：1）测量测头分接触式和非接触式；2）测量机有三坐标测量机、多轴关节式机械臂及激光追踪站等；3）数据处理软件；4）模型重建软件（CAD/CAM）模型重建软件包括三类，一是用于正向设计的CAD/CAE/CAM软件，但数据处理和逆向造型功能有限；二是集成有逆向功能模块的正向CAD/CAE/CAM软件；三是专用产品数据管理（PDM）等软件；5）CAE软件；6）数控加工设备；7）快速原型机；8）产品批量生产设备。二.反求设计实验体系的够建反求设计实验室建设项目定位于“科研教学型”，围绕实验室的建设内容及目标，配置了良好的硬件环境，主要的仪器设备有：快速成型机、工业型三维激光扫描仪等，总价值逾130万元；另实验室还配置了先进的软件，配合硬件设备可以承担如复杂曲面抄数、点云数据处理、三维曲面生成以及高精度成型加工研究等实验项目。测量仪器的选择(1)坐标测量机坐标测量机(CoordinateMeasuringMachine,简称CMM)是一种精密的三坐标测量仪器，三坐标测量机可分为主机、测头、电气系统三大部分。CMM是典型的接触式测量系统，一般采用触发式接触测量头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值。使用CMM时必须设定较多参数。一般来说，扫描方向与模型陡峭面成正交为佳。由于工件表面形状不一，故常常要将工件分成不同的区域，使用不同的参数扫描。若测量复杂形状的工件，则比较耗时。CMM主要优点是测量精度高，适应性强，但一般接触式测头测量效率低，而且对一些软质表面无法进行测量。(2)多轴关节式机械臂机械臂(Robot)也属于接触式测量仪。这种测量机几乎不受方向限制，可在工作空间做任意方向的测量。精度不高为其主要缺点，一般常用于大型钺金件模具的逆向工程测量。(3)激光扫描测量仪激光扫描测量仪用于非接触式测量。四自由度激光扫描测量仪工作台具有线性位移及旋转的功能，可带动CCD测头做逐线扫描，并配合工件的旋转完成多角度扫描的功能，基本上只要决定点的密度、扫描范围即可，若遇到不感光或是全反射的表面，则必须喷漆或另外处理。(4)激光跟踪测量系统激光跟踪测量系统属球坐标式测量仪器，此类设备较适合做大型物体轮廓的测量，如飞机或汽车外型等。在这里，我们选用如图2.1所示的华朗科技公司的Holon-3DS标准型三维扫描仪，价格157000元/台。其主要特点有：1）扫描速度极快5秒内可得到100多万点，效率很高。2非接触扫描利用照相式原理，进行非接触式光学扫描，得到物体表面三维数据。而且适应了柔软、易变形物体的测量要求。3）精度高利用独有的测量技术，实际精度可达0.02mm。4）大景深扫描景深可达300〜500mm,为国内最高。适合景深较大物体扫描。5）对环境要求不高环境光对该扫描系统影响不大，在大多数的环境下都能获得高性能的数据。图2.1华朗科技公司的Holon-3DS标准型三维扫描仪Holon-3DS标准型三维扫描仪产品规格和技术参数如下表所示:型号（项目）Holon-3DS(标准型)扫加式非接触式面扫描传感器；分辨率（单位：像素）2X1,310,000断/2X2,000,00®单次测量幅面（单位：mm3）400>300>500mm3(max)100750>80mm3(min)单幅测量精度（单位：mm）<±0.015mm单幅测量时间（单位：s）]<5s测量点距（单位：mm）0.07〜0.35mmHolon-3DP测：度0.0125mm/m光栅技术外插法多频相移光栅扫描头尺寸630X320X150mm拼接方■式全自动拼接操作系统兼容Windows98/NT/2000/XP/Vista工作温度、电源0〜40C、100〜240VAC2.2数据预处理产品外形数据是通过坐标测量仪来获取的，一方面，无论是接触式的数控测量机还是非接触式的激光扫描机，不可避免地会引入数据误差，尤其是尖锐边和产品边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面。同时由于实物几何和测量手段的制约，在数据测量时，会存在部分测量盲区和缺口，给后续的造型带来影响。所以需要对测量数据进行平滑处理、不同方位测量的多视数据进行对齐定位、不同特征区域的数据进行分割。(1)数据平滑数据平滑的目的是消除测量噪声，以得到精确的模型和好的特征提取效果。(2)多视数据对齐定位在逆向工程实际过程中，对实物样件进行数字化时，往往不能在同一坐标系下将产品的几何数据一次测出。得到的数据为多次测量数据。对激光扫描测量，需要从不同的角度对样件的各个面，以及样件局部进行放大扫描，以获取样件的多视点云。通常为处理方便，将两种情况的数据都称为多视数据或点云，由于在几何模型构建时必须将这些不同坐标系下的多视数据变换或统一到同一个坐标系中，这个数据处理过程称为多视数据的对齐(Registration),或数据拼合、重定位等。(3)数据分割数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型，将属于同一子曲面类型的数据成组，数据分割方法分为基于测量的分割和自动分割两种方法。测量的分割：适合于曲面特征比较明显的实物外形和接触式测量，操作者的水平和经验对结果将产生直接影响。自动分割：基于边，基于面。模型重建技术在逆向工程中，实物的三维CAD模型重建是整个过程最关键、最复杂的一个环节，因为后续的产品加工制造、快速原型制造、虚拟制造仿真、工程分析和产品的再设计等应用都需要CAD数学模型的支持，这些应用都不同程度地要求重建的CAD模型能准确的还原实物样件，所以点数据的处理、曲面的构建方式以及完整的修编和分析等功能，是逆向工程曲面模型重建相当重要的部分。专业的逆向工程软件：英国DelCAM公司产品CopyCAD、美国Imageware公司的Surfacer、美国Raindrop公司的Geomagic、英国MDTV公司的STRIM。CAD/CAM集成系统中也开始集成了类似功能模块，如Pro/Engineer中的Pro/Scant001s和ICEMSurf模块、UG中的PointCloud功能、Cimatron中的ReverseEngineering功能模块等，这些系统可以接受有序点，也可以接受点云数据，极大地方便了设计人员，但与专业的逆向工程软件相比，它们的功能相当有限。在这里我们选用美国Imageware公司的Surfacer软件，价格130000元。快速成型加工快速成型制造技术20世纪80年代起源于日本，是近20年来制造技术领域的一次重大突破。快速原型技术是用离散分层的原理制作产品原型的总称，其原理为：产品三维CAD真型一分层离散一按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料一生成实体模型。该技术集计算机技术、激光加工技术、新型材料技术于一体，依靠CADfc件，在计算机中建立三维实体模型，并将其切分成一系列平面几何信息，以此控制激光束的扫描方向和速度，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选择地加工原材料，从而快速堆积制作出产品实体模型。快速原型技术突破了“毛坯一切削加工一成品”的传统的零件加工模式，开创了不用刀具制作零件的先河，是一种前所未有的薄层迭加的加工方法。与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点：（1）可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。（2）属非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力影响。（3）无振动、噪声和切削废料。（4）可实现夜间完全自动化生产。（5）加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。RPMft术的具体工艺不下30余种，最为成熟的以下四种：1）立体印刷（SLA—StereolithgraphyApparatus将激光聚焦到液态固化液态材料（如光固化树脂）表面，令具有规律地固化，由占到线，到面，完成一个层面的建造；而后升降平台，移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，再建造一个层，由此层层迭加，成为一个三维实件（如图2.2所示）。激光立体造型制造精度目前可达i0.1mm,主要用作为产品提供样品和实验模型。止匕外，日本开发的SOLIFORMT直接制作注射成型模具和真空注塑模具。

图2.2立体印刷工艺原理图2）分层实体制造（LOM,LaminatedobjectManufacturing）它采用激光或刀具对箔材进行切割而获得一个层面。具体的说，首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。通过升降平台的移动和箔材的送给，可以切割出新的层片，并将其与箔有的层片粘接在一起，这样层层迭加后得到一个块状物；最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。这里所说的箔材可以是涂覆纸（涂有粘接剂覆层的纸），涂覆陶瓷箔、金属箔或其他材质基的箔材（如图2.3所示）。LOM可制作一些光造型法难以制作的大型零件和厚壁样件，且制作成本低廉（约为光造型法的1/2）、速度高（约为木模制作时间的1/5以下），并可简便地分析设计构思和功能。加工甲向桧鼾计尊机外降台收料独图2.3LOM工艺原理图3）选择性激光烧结（SLS,SelectiveLaserSintering对于由粉末铺成的很好密密实度和平整度的层面，有选择地直或间接粉末熔化或粘接，形成一个层面，铺粉压实，再熔结或接成另一个层面，并与原层面熔结或粘接，哪此层层迭加为一个三维实体（如图2.4所示）。FDM技术的最大特点是速度快（一般模型仅需几小时即可成型）、无污染，在原型开发和精铸蜡模

等方面得到广泛应用。4）融沉积成形（FDM,FusedDepositionModeling）将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）通过加热器熔化，挤压喷出并堆积一个层面，然后将第二个层面用同样的方法建造出，并与前一个层面熔结在一起，如此层层堆积面获得一个三维实体（如图2.5示）。SLS技术造型速度快（一般制品，仅需1天〜2天即可完成）、造型精度高（每层粉末最小厚度约0.07mm,激光动态精度可达H.09mm,并具有自动激光补偿功能）、原型强度高（聚碳酸脂其弯曲强度可达34.5MPa尼龙可达55MPa）,因此，可用原型进行功能试验和装配模拟，以获取最佳曲面和观察配合状况。图2.4SLS工艺原理图图2.5FDM工艺原理图在这里，我们选用如图2.6所示的FDM3000快速成型机，价格99.27万。FDM3000是美国“StratasyS'公司生产的高精度熔融沉积型快速成型系统，是产品设计和开发的先进工具，可以优化产品设计、降低产品开发和生产的周期和成本。主要性能和技术指标：（1）成型材料：ABS工程塑料；（2）成型规格406*254*254mm;（3）成型精度：+-0.127mm。用途：新产品的概念设计及设计审定；部件的整体配合评估及工程测试；产品的功能测试结构分析；产品样品及可加工功能零部件的制造；高精度模具母形快速制造；生产的可行性研究。

2.5设备清单主要仪器设备仪器设备名称品牌、型号数量（台）单价（万元）总价（万元）三维扫描仪Holon-3DS系列标准型115.715.7Imageware软件12.0版本11313微型计算机联想公司的Y460系列100.55FDM快速成型机FDM3000199.2799.27总计132.97rDMsaoO厂图2.6FDMrDMsaoO厂图2.6FDM3000快速成型机三、反求实验操作步骤反求实验的操作步骤如下所示:（一）三维扫描：喷上显像剂粘贴标志点3）全方位扫描拼接（二）点云处理：Surfacer主要用来做逆向工程，它处理数据的流程遵循点一一曲线一一曲面原则，流程简单清晰，软件易于使用。其流程如下：.点过程1）读入点阵数据，Surfacer可以接收几乎所有的三坐标测量数据，此外还可以接收其它格式，例如：STL、VDA等。2）将分离的点阵对齐在一起（如果需要）。有时候由于零件形状复杂，一次扫描无法获得全部的数据，或是零件较大无法一次扫描完成，这就需要移动或旋转零件，这样会得到很多单独的点阵。Surfacer可以利用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的点的信息将点阵准确对齐。3）对点阵进行判断，去除噪音点（即测量误差点）。由于受到测量工具及测量方式的限制，有时会出现一些噪音点，Surfacer有很多工具来对点阵进行判断并去掉噪音点，以保证结果的准确性。4）通过可视化点阵观察和判断，规划如何创建曲面。一个零件，是由很多单独的曲面构成，对于每一个曲面，可根据特性判断用用什么方式来构成。例如，如果曲面可以直接由点的网格生成，就可以考虑直接采用这一片点阵；如果曲面需要采用多段曲线蒙皮，就可以考虑截取点的分段。提前做出规划可以避免以后走弯路。5）根据需要创建点的网格或点的分段。Surfacer能提供很多种生成点的网格和点的分段工具，这些工具使用起来灵活方便，还可以一次生成多个点的分段。2.曲线创建过程1）判断和决定生成哪种类型的曲线。曲线可以是精确通过点阵的、也可以是很光顺的（捕捉点阵代表的曲线主要形状），或介于两者之间。2）创建曲线。根