快速成型与逆向工程.docx

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快速成型与逆向工程

快速成型与逆向工程的应用

前言

逆向工程技术和快速成型技术的定义和逆向工程与快速成型的一般流程。

并通过一个简单球面的反求工艺实例,阐述了逆向工程中数据采集、产品建模以及产品快速成型的一般过程。

从而证明了逆向工程技术是一个多领域、多学科的系统工程,是基于新的设计思想和方法,在计算机技术、数控测量技术和CAD/CAM技术发展基础上产生的一项新技术,能广泛运用于模具行业,并有一定的影响力。

本文证实了逆向工程技术和快速成型技术的前沿性和可靠性,并展望了逆向工程技术与快速成型应用的前景。

1、概念

1.1逆向工程

所谓逆向工程（ReverseEngineering,简称RE）,是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。

而逆向工程则是从产品原型出发,进而获取产品的三维数字模型,使得能够进一步利用CAD/CAE/CAM以及CIMS等先进技术对其进行处理。

随着计算机技术的发展,CAD技术已成为产品设计人员进行研究开发的重要工具。

尤其是三维造型技术已经被制造业广泛应用于产品及模具设计、自动化加工制造等方面。

在实际开发制造过程中,设计人员接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型,但很多时候,从上游厂家得到的却是产品的实物模型。

设计人员需要通过一定的途径,将这些实物模型信息转化为CAD模型,这就应用到了逆向工程技术。

1.2快速成型

快速成型（RapidPrototyping,RP）技术,是一种基于离散堆积成型思想的新型成型技术,是集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。

快速成型制造（RapidPrototypingManufacturing,RPM）技术是使用快速成型技术、由CAD模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术的总称。

快速成型技术基本原理和成形过程是:

将计算机产生的CAD实体模型,根据工艺要求,按一定厚度进行分层,把原来的三维电子模型经分层切片软件处理,形成一系列薄截面层形状的二维平面信息,再将分层后的二维信息生成数控代码,以平面加工方式有顺序地连续加工出每层模型,并使它们自动粘结成形。

二、快速成型与逆向工程技术

逆向工程技术和快速成型技术结合使得快速成型技术在制造领域的应用更加广泛,逆向工程在快速成型技术中的应用有以下几方面。

1）用逆向技术直接生成STL文件,供快速成型系统的数据处理软件直接使用,产生数控代码。

2）用逆向技术生成层片CLI文件,这种输出比较适用于对各种CT图像的逆向,由于快速成型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快速成型设备逐层叠加而成三维实体。

3）用逆向技术来重构出实体模型,借助于CAD系统来转化成STL文件。

2.1逆向工程与CAD技术的关系

逆向工程技术是随着计算机技术的发展和成熟及数据测量技术的进步而发展起来的一门新兴学科与技术。

它的出现,改变了原来CAD系统中从图样到实物的设计模式,为产品的迅速开发以及快速原型化设计提供了一条新的途径。

但是,逆向工程是在原有CAD技术上发展起

来的,逆向工程的最终结果是由CAD技术完成和实现的,因此,CAD技术贯穿于逆向工程的大部分过程。

2.2逆向工程与快速成型技术的关系

所谓一体化思想就是对产品及其相关过程在计算机中利用先进的CAD/CAM/CAE系统进行并行、逆向工程与快速成型一体化设计的一种系统化工作模式,在设计的初期就把产品的生命周期中所有因素（包括制造、质量、外形、成本、进度、市场现状和用户需求等）考虑进去。

RE与RP结合使得RP技术在制造领域的应用更加广泛,因为RP离不开CAD软件系统设计出的CAD模型;没有CAD模型,RP将无从谈起。

快速成型技术是制造业发展的关键技术之一,在快速成型中由于逆向工程的应用,使产品的开发周期大大缩短,产品的一次设计加工成功率大大提高,从这个意义上说,逆向工程在快速成型中的应用,大大降低了产品的开发成本,降低了时间和材料消耗,提高了产品品质。

逆向工程与快速成型技术相结合,可构成一个闭环的快速产品开发系统,这种快速闭环设计系统在设计评价、装配检验、快速模具制造及直接将原型用于功能试验等方面得到广泛应用。

3、逆向工程技术中的技术及其应用

逆向工程技术中的关键技术包括数据采集、数据处理、曲面重构、再设计和曲面品质分析及优化等。

这里主要用Imageware软件对ATOS扫描仪测量出来的手机点云数据进行处理,拟合成曲线或曲面并对其进行误差分析。

3.1数据采集

数据采集就是零件模型的数字化,采用适当的测量装置来获得零件模型表面点的三维坐标值,其得到的测量数据被称为/点云0。

在逆向工程中,数据采集是第1步也是非常关键的一步,数据测量的精度对逆向工程的质量和进度起着重要的作用。

数据采集实际上就是三维测量技术问题,测量方法包括。

1）接触式测量:

接触式测量是传统的测量方式,测量过程中测头与模型表面接触进行扫描测量,其测量精度高,缺点是测量速度慢,不适于软质材料或薄型物件进行扫描。

其最典型的代表是常见的三坐标测量仪,又称探针扫描器,是利用三坐标测量仪的接触探头（有各种不同的直径和形状）逐点地获取被测型面上一点的X,Y,Z坐标值。

2）非接触式测量:

非接触式测量法主要是利用光学、声学和磁学等领域的基本原理,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。

光学测量仪按其工作原理又可分为:

投影光栅法、激光三角形法、轮廓投影法和图像分析法等。

非接触式测量逐渐成为主流方法。

3）逐层扫描测量:

此方法提供了被测物体的截面轮廓及其内部结构的完整信息,并由数据重建物体的三维几何模型。

4）逐层去除测量:

此方法是一种破坏性的,与逐层累加相反的测量方法,该方法虽然破坏零件,但取得的数据精度高,在很多情况下也有应用。

3.2数据处理

数字化测量得到的点云数据不可避免地存在一些问题,需进行数据的处理。

点云数据的处理包括噪声去除、多视对齐、数据精简和数据分割等。

1）噪声去除

数据获取的方法虽然多样,但在实际的测量过程中受到人为或随机因素的影响,都不可避免会引入不合理的噪音点,这部分数据约占数据总量的011%~5%。

为了降低或消除其对后续重构的影响,有必要对测量点云进行滤波,去除噪音点。

2）多视对齐

由于被测物体的尺寸过大或实物几何形状复杂,测量往往不能一次测出所有数据,需要从不同位置和多视角进行多次测量,再将这些点云进行对齐、拼接。

多视对齐实质为寻求采自不同坐标系下点云的空间变换,以进行空间匹配。

3）数据精简

自动测量所得到的数据点云十分密集,数据存在大量冗余,无法直接用于曲面构造。

由于数据的冗余,导致很多无效运算开支,如果不进行数据精简,会极大地降低几何建模的速度。

不同类型的点云可采用不同的精简方式,散乱点云可通过随机采样的方法来精减;对于扫描线点云和多边形点云可采用等间距缩减、倍率缩减、等量缩减和弦偏差等方法;网格化点云可采用等分布密度法和最小包围区域法进行数据缩减。

4）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,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。

利用ATOS光学三维扫描仪采集的几十万、上百万甚至更多的无序点数据,数据处理的工作量很

大,所以,为了获得完整、正确的测量数据,以方便后续的造型工作,在模型重建之前需要对测量数据进行处理。

四、小结

逆向工程技术和快速成型技术的一体化结合是多领域的、复杂的、多学科的系统工程,快速成型的出现把传统的加工带入全新的数字化领域,要让该系统工程得到越来越广泛、深入的应用,应从各个方面着手完善和发展该系统,进一步拓宽该技术的应用范围。

5、科技文献

【1】李志国,祁文军,孙文磊,刘炳逆向工程与快速成型一体化在现代产品设计中的应用新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐830008

【2】沈晓伟逆向工程与快速成型技术的应用江苏联合职业技术学院无锡交通分院机械工程系,江苏无锡214046

【3】谢元媛,孙文磊,杨杰逆向工程技术与快速成型技术在新产品开发中的应用新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐830008