反求工程设计课件

1、数字化设计反求工程,反求工程设计,1,PPT学习交流,日本在第二次世界大战结束时,国家经济几乎处于瘫痪状态，1950年国民生产总值仅为英国的129，法国的138，经济上落后于欧洲先进国家二三十年,但在后来的30余年中却以惊人的速度一跃而为仅次于美国的世界第二号经济强国. 战后日本经济为什么会得到高速发展呢?,引 子,反求工程,反求工程设计,2,PPT学习交流,日本是应用的最好的国家,日本正是采用了旨在引进国外先进技术的“吸收性战略”，19451970年用60亿美元引进国外先进技术，并投资150亿美元进行消化吸收，取得26000项技术成果。成功的技术引进使日本节省了约910的研究费用和约23的研

2、究时间。,反求工程设计,3,PPT学习交流,案例1 晶体管半导体收音机,美国人发明的晶体管技术原来仅用于军事领域。日本SONY公司买到晶体管专利技术后，进行反求研究，移植于民用领域，开发出晶体管半导体收音机，占领了国际市场。,反求工程设计,4,PPT学习交流,案例2 本田摩托,日本本田公司对世界各国500多种型号的摩托车进行反求研究，对不同技术条件下的技术特点加以分析解剖，综合其优点，研制出耗油少、噪声小、成本低、造型美的新型本田摩托车，风靡世界。,反求工程设计,5,PPT学习交流,案例3 转炉,1957年日本从奥地利引进顶吹氧气转炉，通过使用进行多项技术改造，并在此基础上研制出新型转炉，作为

3、专利向英、美、意等发达国家出口。6年后日本转炉炼钢率竟居世界之首。,反求工程设计,6,PPT学习交流,一 概论,反求工程：在现代社会中，科技成果的应用已成为推动生产力发展的重要手段。把别国的科技成果加以引进、消化、吸收、改进提高，再进行创新设计，进而发展自己的新技术，是发展民族经济的捷径，称这一过程为反求工程（reverse engineering） 。,反求工程设计,7,PPT学习交流,反求设计（reverse design）,反求设计是以先进的产品或技术作为对象，进行深入的分析研究，探索掌握其关键技术，在消化、吸收的基础上，开发出同类型创新产品的设计。 反求设计强调剖析原产品时在“求”上狠

4、下功夫，吃透原设计；而再设计时在“改”和“创”上作文章，力图在较高起点上设计出竞争力更强的创新产品。,反求工程设计,8,PPT学习交流,反求工程的研究内容 (1)探索原产品的设计思想 (2)探索原产品的原理方案设计 (3)研究产品的结构设计 (4)对产品的零、部件进行测绘 (5)对产品的零件公差与配合公差进行分析 (6)对产品中零件的材料进行分析 (7)对产品的工作性能进行分析 (8)对产品的造型进行分析 (9)对产品的维护与管理进行分析,分类,实物（硬件）的反求设计 技术资料（技术资料）的反求设计,反求工程设计,9,PPT学习交流,（10）工艺分析 许多引进设备的关键技术主要是先进的工艺决窍

5、，国外某些工厂视先进工艺为生命线，严格保密。因而对加工、装配工艺的分析，对加工精度及精度分配的反求，是重要而又细致的工作。如硬度大于350HBS的硬齿面齿轮用螺旋槽砂轮磨削，既能保证高精度,又能达到高效率；而直径较大的硕齿颁齿轮，在没有大磨削设备的分件下，可以通过研合达到精度要求。,反求工程设计,10,PPT学习交流,反求工程设计程序,反求工程设计,11,PPT学习交流,反求设计与传统设计,反求工程设计,12,PPT学习交流,传统设计： how to do? 反求设计： why have they make it in this way?,传统设计过程是一个主动的创造性活动. 而反求设计过程则

6、是一种高起点的、先 被动后主动的创造性活动。,反求工程设计,13,PPT学习交流,反求与仿制,反求技术的发展基础是仿制技术，但近年来反求技术的内涵已有了很大的发展，因此反求技术并不同于仿制技术。 实物仿制的着眼点在于制造出和原有实物相同的产品。 反求设计的着眼点在于对原有实物进行修改和再设计后而制造出新的产品 反求设计强调在剖析先进产品时，要吃透原设汁，找出原设计中的“绝招”、“诀窍”和关键技术，尤其要找出原设计中的缺陷；然后在再设计中突破原设计的局限，在较高的起点上，以较短的时间设计出竞争力更强的创新产品。因此反求设计避免了“侵仅”的法律问题。,反求工程设计,14,PPT学习交流,反求工程是

7、多种创新技法的综合：它至少是逆向、发散、综合等思维方法和移植、组合、变异等多种创新技法的综合应用。 反求工程（技术引进）有三个层次：应用、消化、创新。,反求工程设计,15,PPT学习交流,反求工程（Reverse Engineering, RE）,也称逆向工程、反向工程等。 反求工程起源于精密测量和质量检验，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路。 20世纪90年代以来，反求工程技术被放到大幅度缩短新产品开发周期和增强企业竞争能力的主要位置上。 反求工程所需硬软件： 测量设备 反求设计软件,反求工程设计,反求工程背景,16,PPT学习交流,反求工程软件：Imageware、Raindrop、Ge

8、omagic Studio、Paraform、ICEM Surf、Copy CAD 等 CAD/CAM系统类似模块，UGUnigrahics、 ProEPro/SCAM、 Cimatron90PointCloud等,反求工程设计,反求工程背景,接触式三坐标测量仪,非触式三坐标测量仪,工业CT测量机,17,PPT学习交流,反求工程设计,反求工程流程图,18,PPT学习交流,反求工程设计,数字化测量 测量数据预处理 三维重构 坐标配准 误差分析,反求工程关键技术,产品 实物,数字 测量,数据 处理,三维 重构,坐标 配准,误差 分析,CAD 模型,设计 数据,19,PPT学习交流,反求工程设计,数

9、字化测量是反求工程的基础，在此基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。数据的测量质量直接影响最终模型的质量。,数字化测量,20,PPT学习交流,接触式测量,反求工程设计,数字化测量 测量设备,非接触式测量,21,PPT学习交流,反求工程设计,数字化测量 测量设备,基于平板探测器X射线成像系统,医学CT测量,22,PPT学习交流,反求工程设计,数字化测量测量方法比较,接触式测量,23,PPT学习交流,反求工程设计,数字化测量测量方法比较,非接触式测量,24,PPT学习交流,反求工程设计,测量路径是测头的运动轨迹，在反求工程的测量流程中是极其重要的一环，其数据规划的效果将直接影响到整个产品模型

10、反求工程时间的长短和重构质量。 特别是在使用三坐标测量机进行数据测量时，为保证测量精度和运行安全，提高三坐标测量机的测量效率的关键。 设计测量路径的基本原则： 1）安全，即从本测量点移到下一测量点的途中，测头不与工件发生干涉； 2）路径短、速度快，即根据坐标机的加减速特性，测头能以最快的速度到达下一测量点； 3）行走路线自然，减少测头运转的空行程和测头的旋转测量。,测量路径规划,25,PPT学习交流,反求工程设计,测量实例 涡轮叶片模具,叶片模具型面数据,叶片模具边界数据,共采集数据点24500个 。,26,PPT学习交流,反求工程设计,测量实例 不同叶片的3D-CT层析断层,自主研发的高解析

11、度3D-CT实验系统,不同叶片的3D-CT层析断层,27,PPT学习交流,反求工程设计,测量实例 基于双目视觉的三维数据获取,自主研发的实验扫描系统,蒙皮模具（ 长5m）,共采集数据点341212个,成型面点云图,28,PPT学习交流,反求工程设计,数字化测量 测量数据预处理 三维重构 坐标配准 误差分析,反求工程关键技术,产品 实物,数字 测量,数据 处理,三维 重构,坐标 配准,误差 分析,CAD 模型,设计 数据,29,PPT学习交流,反求工程设计,产品外形数据是通过坐标测量机来获取的，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

12、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。另外，由于激光扫描的应用，曲面测量会产生海量的数据点，这样在造型之前应对数据进行精简。 主要包括以下内容： 坏点去除，点云精简，数据插补，数据平滑，数据分割,测量数据预处理,30,PPT学习交流,反求工程设计,坏点又称跳点，通常由于测量设备的标定参数发生改变和测量环境突然变化造成的，对于手动人工测量，还会由于误操作是测量数据失真。 坏点对曲线、曲面的光顺性影响较大，因此测量数据预处理首先就是要去除数据点集中的坏点。 常用方法如下： 直观检查法 曲线检查法 弦高差法,测量数据预处理 坏点去除,31,PPT学习交流,反求工

13、程设计,当测量数据过密，不但会影响曲面的重构速度，而且在重构曲面的曲率较小处还会影响曲面的光顺性。因此，在进行曲面重构前，需要建立数据的空间邻域关系和精简数据。 在均匀精简方法中，通过以某一点定义采样立方体，求立方体内其余点到该点的距离，再根据平均距离和用户指定保留点的百分比进行精简。,测量数据预处理 点云精简,保留每个子立方体中距中心点最近的点。,32,PPT学习交流,反求工程设计,测量数据（24500个） 处理后的数据（ 4607个）,测量数据预处理数据精简实例,精简原则：精简距离为2mm，精简后的点云在空间分布均匀，适合数据的后续处理。,33,PPT学习交流,反求工程设计,由于实物拓扑结

14、构以及测量机的限制，一方面在实物数字化时会存在一些探头无法测到的区域，另一种情况则是实物零件中存在表面凹边、孔及槽等，使曲面出现缺口，这样在造型时就会出现数据空白现象，影响曲面的反求建模。 目前应用于反求工程的数据插补方法主要有 实物填充法 造型设计法 曲线、曲面插值补充法,测量数据预处理 数据插补,34,PPT学习交流,反求工程设计,由于在数据测量过程中受到各种人为和随机因素的影响，使得测量结果包含噪声，为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，需要对数据进行平滑滤波。数据平滑主要针对扫描线数据，如果数据点是无序的，将影响平滑的效果。 通常采用的滤波算法： 标准高斯(Gaussian)法 平均

15、(Averaging)法 中值(Median) 法，,测量数据预处理 数据平滑,35,PPT学习交流,反求工程设计,数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面类型，将属于同一子曲面类型的数据成祖，这样全部数据将划分成代表不同曲面类型的数据域，为后续的曲面模型重建提供方便。 常用方法： 基于测量的分割 自动分割,测量数据预处理 数据分割,测量数据点 数据点分割 拟合29个二次曲面,线框图 渲染图,36,PPT学习交流,反求工程设计,测量数据预处理 数据分割实例,仪表盘原始点云数据 分割后的点云,根据形状分析，将点云分割为三部分：左端面，中间面，右端面。,逆求软件提供多种分割点云的方法,37,PPT学

16、习交流,反求工程设计,数字化测量 测量数据预处理 三维重构 坐标配准 误差分析,反求工程关键技术,产品 实物,数字 测量,数据 处理,三维 重构,坐标 配准,误差 分析,CAD 模型,设计 数据,38,PPT学习交流,反求工程设计,在反求工程中，实物的三维CAD模型重构是整个过程最关键、最复杂的一环，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构的CAD模型能准确还原实物样件。整个环节具有工作量大、技术性强的特点，同时工作的进行受设备硬件和操作者两个因素的影响。,三维重构,点云图 三维模型,39,PPT学

17、习交流,反求工程设计,目前成熟的模型重构方法根据数据类型、数据来源、造型方式和曲面表示可分为： 按数据类型：分为有序点和散乱点的重构； 按测量机的类型：分为基于CMM、激光点云、CT数据和光学测量数据的重构； 按造型方式：可分为基于曲线的模型重构和基于曲面的直接拟合； 按曲面表示方法：分为边界表示、四边B样条表示、三角面片和三角网格表示的模型重构等。 在模型重构之前，应详细了解模型的前期信息和后续应用要求，以选择正确有效的造型方法、支撑软件 、模型精度和模型质量。前期信息包括实物样件的几何特征、数据特点等；后续应用包括结构分析、加工、制作模具、快速原型等。,三维重构常用方法,40,PPT学习交

18、流,反求工程设计,数字化测量 测量数据预处理 三维重构 坐标配准 误差分析,反求工程关键技术,产品 实物,数字 测量,数据 处理,三维 重构,坐标 配准,误差 分析,CAD 模型,设计 数据,41,PPT学习交流,反求工程设计,坐标配准,实现测量数据和被测物设计模型的坐标配准，为误差分析做准备，配准精度直接影响后续整体误差结果的可靠性。 测量数据模型与CAD模型间的配准重点： 选择基准 坐标变换 选择基准: 测量时，标定基准点，配准时，基准定位点和被测件上的设计点重合； 根据被测物的几何特性自定义。,42,PPT学习交流,反求工程设计,坐标配准实例,配准基准： 指定的点。,43,PPT学习交流

19、,反求工程设计,坐标配准实例,坐标配准,配准基准： 由前缘半径圆心， 尾缘半径圆心和 封闭图形的形心组成的三角形。,44,PPT学习交流,反求工程设计,坐标配准实例,配准前 配准后,配准基准：几何运算得到特殊的几何约束。,45,PPT学习交流,反求工程设计,坐标配准实例,配准基准：几何运算得到特殊的几何约束。,（1）平面1的法向与Z轴同向约束关系； （2）圆柱面1的轴线与Z轴重合约束关系； （3）平面2与 XY平面的重合约束关系； （4）求圆柱面2和自由曲面的交线，该交线与叶片出口端交线的重合约束关系。,配准算法.doc,46,PPT学习交流,反求工程设计,数字化测量 测量数据预处理 三维重构

20、 坐标配准 误差分析,反求工程关键技术,产品 实物,数字 测量,数据 处理,三维 重构,坐标 配准,误差 分析,CAD 模型,设计 数据,47,PPT学习交流,反求工程设计,影响误差的主要要素： （1）产品原型误差 （2）数据采集误差 （3）曲面重构时产生的误差 （4）模型配准误差,误差分析,48,PPT学习交流,反求工程设计,由于反求工程是根据实物原型来重构模型的，但原产品在制造时会存在制造误差，使实物几何尺寸和设计参数之间存在偏差，如果原型是使用过的还存在磨损误差。 实际零件 测量点云 原型误差一般较小，其大小一般在原设计的尺寸公差范围内。,误差分析产品原型误差,49,PPT学习交流,反求

21、工程设计,测量误差包括测量设备系统误差、测量人员视觉和操作误差、产品变形误差和测头半径补偿误差等。测量误差和设备环境、测量人员的经验等。,误差分析 数据采集误差,50,PPT学习交流,反求工程设计,主要是在反求工程软件中进行模型重构时，曲线、曲面的拟合误差，目前的软件常采用最小二乘法 逼近来进行样条曲线、曲面拟合，因此存在一个允差大小控制问题。,误差分析曲面重构时产生的误差,蒙皮面板测量 测量点云 点云处理,51,PPT学习交流,反求工程设计,误差分析 模型配准误差,在模型配准过程中，为保证轮廓边界的贴合和共线，配合零件的测量边界轮廓必须调整为一条配合线，这样对配合零件表面造型时会带来误差，为减小误差，轮廓线测量和曲线拟合时要求精确 数据匹配就是实现测量数据和被测物设