关于逆向工程及快速成型论文.docx
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关于逆向工程及快速成型论文
关于逆向工程课题的预习工作
1.何为逆向工程。
逆向工程〔又称反向工程〕，是一种技术过程，即对一工程标产品进展逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织构造、功能性能规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。
逆向工程源于商业及军事领域中的硬件分析。
其主要目的是，在不能轻易获得必要的生产信息下，直接从成品的分析，推导出产品的设计原理。
如下列图1.1，1.2所示。
逆向工程简单来说就是用逆向思维进展反推的过程。
1.1正向设计流程图
实体模型
点云数据
CAD建模
N
快速原型
评估
Y
制造
1.2逆向工程设计流程图
2.通过逆向工程能做什么
1〕.目前逆向工程在制造领域应用广泛。
简单说，主要有以下方面：
.汽车与飞机的外型设计。
.模具设计及制造。
.仿形设计。
.医学领域。
.快速原型制造。
.文物工艺品复制。
.电视电影的3D造型。
2）.逆向工程与传统的设计方式有众多优点：
.降低本钱。
.缩短设计周期。
.学习及消化先进设计经历、技术。
.提高生产效率。
.提高设计水准。
3）.逆向工程存在问题：
.测量方法中的实际问题。
.数据处理问题。
.曲面重构问题。
.逆向工程无法超越原有的零件，简单的模仿无法了解到产品最初的设计思想。
4）.联系实际与本专业相关模具联系起来，有以下优点：
.降低模具制造本钱。
.提高模具生产效率。
.减少修模量。
.提高模具行业整体技术含量。
5）.我对逆向工程的评价：
逆向工程开展飞快，前景很好。
但是我从种种资料字里行间发现，国内逆向工程所做的CAD模型还仅限于几何外形的重构，只能说高效但谈不上准确。
相对落后的国家为了在短期内追上较兴旺国家，提高自身的竞争力，逆向工程的应用就是必然的，它可以大幅度缩短研发周期，节省大量实验费用。
但结合中国国情，逆向工程在中国可以难听点叫山寨，故逆向工程可能会被误认为是对知识产权的严重侵害。
3.逆向工程关键局部的简单介绍
1）.数据测量仪器及其测量方法。
如图1.3所示
1.3测量方法构造图
我曾去实验室一次，据我观察，实验室内有一台非接触式和接触式测量设备。
非接触式测量设备应该是构造光三维扫描仪，接触式测量设备应该是三坐标测量机。
如图1.4和1.5所示，两种方法具体比拟。
1.4、1.5接触式与非接触式测量方法比照
长话短说，激光扫描仪简单好用快速但精度低，受被测样件的颜色、材质和反射特性影响大。
三坐标测量机精度高但速度慢，对于形状复杂的工件数据处理麻烦。
2）得到的点云数据还要经过模型重建软件才能得到所需的CAD模型。
因此模型重构软件的优劣是逆向工程中的重中之重。
下面介绍几个常见的专业软件：
imageware，geomagicstudio，copyCAD，rapidform等。
imageware在逆向工程的方面应用最为广泛，提供了从扫描输入、点云处理、曲面拼接、光顺、形成classA曲面、无缝连接CAX系列、直到检测的完整的逆向工程解决方案。
它处理数据的流程遵循点—曲线—曲面原那么，简单清晰，便于使用，其流程图见图1.6，imageware可以处理几万至几百万的点云数据。
根据这些点云数据构造的ClassA曲面具有良好的品质和曲面连续性。
Imageware模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据之间的误差以及面度、圆度等几何公差。
但这软件必须在UG内才能使用，可惜我电脑装了一个学期都装不成UG〔应该是电脑系统设置问题〕，所以现在电脑里用的是下个介绍的geomagic。
1.6imageware工作流程图
geomagicstudio提供了数据测量、数据网格化、曲面构建、网格压缩等功能程序包，在曲面重建时，可以给予网格识别特征并进展特征分会计曲面参数化，是目前对点云处理及三维曲面构建功能最强大的软件。
copyCAD是英国DELCAM公司CAD系列产品中的一个，主要处理测量数据的曲面造型。
作为系列产品的一局部，copyCAD与系列中的其他软件可以很好地集成。
copyCAD提供了特征曲面的识别功能，主要处理测量数据的曲面造型，涵盖了从设计到制作、检测的全过程。
rapidform是韩国开发的逆向工程软件，主要用于处理测量、扫面数据的曲面建模以及基于CT数据的医疗凸现建模，还可以完成艺术品的测量建模以及高级图形的声称。
它提供有一整套模型分割、曲面生成、曲面检测的工具，用户可以方便的利用以前构造的曲线网络经缩放处理后应用到新的模重构过程中。
以上介绍的是目前常见的逆向工程软件，在国内能够见到的商品化的逆向工程软件均是泊来品。
国内对逆向工程软件方面的研究也就主要集中在几间高校：
清华大学、XX大学、XX航空航天大学。
4.何为快速成型技术〔RapidPrototypingManufacturing〕
快速成型技术借助计算机、激光、精细传动和材料等现代手段,直接将计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）集成一体,根据计算机上构造的三维模型,能在很短时间内直接制造出产品样品。
不需机加工设备或者模具即可快速制造形状极为复杂的工件,从而在小批量产品生产或新产品试制时节省时间和初始投资。
快速成型技术应用非常广泛,尤其在汽车制造,航天航空,建筑,家电,卫生医疗及娱乐等领域有强大的应用。
5.快速成型技术
RP系统可分为两大类：
基于激光或其它光源的成型技术，如：
立体光造型〔SL〕、分层实体制造〔LOM〕、选择性激光烧结〔SLS〕、形状沉积制造〔SDM〕等；
基于喷射的成型技术，如：
熔融沉积制造〔FDM〕、三维打印制造〔3DP〕等。
光固化成形SLA（StereolithographyApparatus）工艺也称光造型、立体光刻及立体印刷，其工艺过程是以液态光敏树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹，并照射到液槽中的液体树脂，而使这一层树脂固化，之后升降台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，然后再进展新一层的扫描，新固化的一层结实地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到1个三维实体模型。
该工艺的特点是：
原型件精度高，零件强度和硬度好，可制出形状特别复杂的空心零件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法。
缺点是需要支撑，树脂收缩会导致精度下降，另外光固化树脂有一定的毒性而不符合绿色制造开展趋势等。
分层实体制造LOM（LaminatedObjectManufacturing）工艺或称为叠层实体制造，其工艺原理是根据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所获得的层片粘接成三维实体。
其工艺过程是：
首先铺上一层箔材，然后用CO，激光在计算机控制下切出本层轮廓，非零件局部全部切碎以便于去除。
当本层完成后，再铺上一层箔材，用滚子碾压并加热，以固化黏结剂，使新铺上的一层结实地粘接在已成形体上，再切割该层的轮廓，如此反复直到加工完毕，最后去除切碎局部以得到完整的零件。
该工艺的特点是工作可靠，模型支撑性好，本钱低，效率高。
缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空构造件。
选择性激光烧结SLS（SelectiveLaserSintering）工艺，常采用的材料有金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成形材料。
其工艺过程是：
先在工作台上铺上一层粉末，在计算机控制下用激光束有选择地进展烧结（零件的空心局部不烧结，仍为粉末材料），被烧结局部便固化在一起构成零件的实心局部。
一层完成后再进展下一层，新一层与其上一层被牢牢地烧结在一起。
全部烧结完成后，去除多余的粉末，便得到烧结成的零件。
该工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。
造型精度高，原型强度高，所以可用样件进展功能试验或装配模拟。
熔融沉积制造FDM（FusedDepositionManufacturing）工艺又称为熔丝沉积成型，其工艺过程是以热塑性成形材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时间内迅速凝固，形成一层材料。
之后，挤压头沿轴向向上运动一微小距离进展下一层材料的建造。
这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。
该工艺的特点是使用、维护简单，本钱较低，速度快，一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型，且无污染。
6.逆向工程与快速成型一体化技术
在逆向工程设计过程的生产终端上结合目前先进的快速成型技术是目前的研究热点,逆向工程和快速成型技术的综合应用目前已开展成为CAD/CAM系统中相对独立的研究领域。
二者的结合应用既可节约设计时间,又可节约设计本钱,同时提高了产品的设计质量和精度。
逆向工程和快速成型技术的综合应用主要在逆向工程技术应用过程中的实物或产品的三维数据测量、测量数据的预处理、三维模型的数据重构、数据误差分析及数据的对应格式输出和快速成型技术应用过程中快速成型方法和设备的选择、数据格式的转化、快速成型的加工及精度控制这些操作的结合和相互之间影响和制约如图1.7。
下面我简单地总结并结合其他资料解释第五点内容：
1〕.快速性。
通过STL格式文件，RPM系统几乎可以与所有的CAD造型系统无缝连接，从CAD模型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时，大幅度缩短新产品的开发本钱和周期。
可减少产品开发本钱30%～70%，减少开发时间50%，甚至更少。
2〕.高度柔性化。
快速成型系统是真正的数字化制造系统，在整个制造过程，仅需改变CAD模型或反求数据构造模型，对成型设备进展适当的参数调整，即可在计算机的管理下制造出不同形状的零件或模型，特别适合新品开发或单件小批量生产。
3〕.技术高度集成化。
快速成型技术是计算机技术、数控技术、控制技术、激光技术、材料技术和机械工程等多项穿插学科的综合集成。
它以离散/堆积为方法，在计算机和数控技术根底上，追求最大的柔性为目标。
4〕.设计制造一体化。
一个显著特点是CAD/CAM一体化。
由于采用了离散/堆积的分层制造工艺，能够很好地将CAD、CAM结合起来。
5〕.制造自由成型化。
它可根据零件的形状，不受任何专用工具或模具的限制而自由成型，也不受零件任何复杂程度的限制，能够制造任何复杂形状与构造、不同材料复合的零件。
RPM技术大大简化了工艺规程、工装设备、装配等过程，很容易实现由产品模型驱动的直接制造或称自由制造。
6〕.材料使用广泛性。
金属、纸X、塑料、树脂、石蜡、陶瓷甚至纤维等材料在快速原型制造领域已有很好的应用。
1.7逆向工程与快速成型一体化技术流程图
6.逆向工程与快速成型一体化技术在模具制造中的应用
1〕.间接快速制模技术〔IRT〕
间接快速制模技术是将快速成型技术与传统的成型技术有效地结合，实现模具的快速制造。
间接快速制模技术通常以非金属材料为主〔如纸、ABS工程塑料、蜡、尼龙、树脂等〕。
通常情况下，非金属成型无法直接作为模具使用，需要以RP〔RapidPrototyping〕原型作母模，通过各种工艺转换来制造金属模具。
而间接制模一般可以使模具制造本钱和周期下降一半，明显提高了生产效率。
2〕.直接快速制模技术〔DRT〕
对于单件小批量生产，模具的本钱占有很大的比重，而修模占近1/3，因此小批量生产的本钱较高。
较好的解决方法就是采用快速成型直接制造模具，可在几天之内完成非常复杂的零部件模具的制造，而且越复杂越能显示其优越性。
基于LOM〔LaminatedObjectManufacturing〕根底的金属板材堆积成型工艺。
以LOM工艺为根底，直接采用金属片材为材料，通过激光切割、焊接或粘接金属片材成型金属零件。
基于SLS（SelectiveLaserSintering）根底的金属粉末堆积成型工艺。
该类工艺主要是采
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