逆向工程及快速原型制造

反求设计与快速制造学院机电工程学院专业机械工程年级班别_______________________学号__________________________学生姓名_______________________指导老师_______________________业带来了一次技术革命因此被认为是20世纪末制造技术领域的一次重大突破，并有可能成为21世纪的主流制造技术快速原型制造过程快速成型技术与传统方法相比具有独特的优点1产品制造过程几乎与零件的困难程度无关，可实现自由制造Free FormFabrication；2产品的单价几乎与批量无关，特殊适合于新产品的开发和单件小批量零件的生将模型分层切片产；3采纳非接触加工方法，无工具更换和磨损；4无切割噪声和振动等，有利于环保；5整个生产过程数字化，与CAD模型具有干脆的关联，零件可大可小，可随时修改，随时制造，所见即所得；6生产效率高，使CAD模型转换为物理模型的时间缩短80%〜500%以上随着快速原型机广泛应用于工业生产中，各种快速成型技术随之产生包括立体印刷SLA,分层实体制造LOM,选择性激光烧结SLS,熔化沉积成形FDM,激光固化成型LSL,固基光敏液相法SGC,三维打印3D—P,喷粒法BPM等，这些RPM技术的共同特征是由材料逐层累加干脆从CAD数据生成产品模型.快速原型制造中的逆向工程3快速原型制造中的逆向工程，就是通过各种手段对实物进行三维测量，获得样件的数据，包括结构、功能、材料等，输入到计算机中进行处理，利用测量数据建立其三维CAD模型借助逆向工程、快速原型制造技术可以用来快速复制实物，包括放大、缩小、修改等，也可以对已有产品进行创新设计还可以便利地对快速原型制造技术本身制得的原型产品进行快速、精确得测量，用来验证由三维CAD设计而制零件与原设计得吻合程度，找出产品设计中的不足，重新设计，使产品更加完善，由此可见，在快速原型制造中引入逆向工程，形成快速设计制造的闭环反馈系统，能够充分发挥快速原型制造系统的优势，拓宽其应用领域，一般的快速原型制造系统都有配套的逆向工程系统逆向技术在RP中的应用主要涉及3个方面:1用逆向技术干脆生成STL文件，供RP系统的数据处理软件干脆运用，产生NC代码；2利用逆向技术生成层片文件一CLI文件，这种输出比较适用于对各种CT的逆向，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干脆驱动RP设备逐层叠加而成三维实体，这种应用技术也是目前学术界探讨最活跃的领域之一；3利用逆向技术来重构出实体模型，借助于CAD系统来转化成STL文件对于快速原型制造技术来说，逆向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软件中重新编辑修改和缩放再转换成G—Code或STL文件为快速原型制造设备运用，从而可干脆加工制作出相应的模具、模型或零件年月20177逆向工程与快速原型制造技术逆向工程

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1.1逆向工程的定义逆向工程技术Reverse Engineering,RE,反求工程、反向工程等，它的思想最初是来自从油泥模型到产品实物的设计过程，随后发展形成一项以先进产品、设备的实物、样件、软件包括图样、程序、技术文件等或影像图像、照片等作为探讨对象，应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和有关专业学问进行系统分析和探讨、探究驾驭其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品的技术作为消化汲取先进技术的一种手段，在21世纪90年头初，逆向工程技术起先引起各国工业界和学术界的高度重视，特殊是随着现代计算机技术及测试技术的发展，利用CAD/CAM技术、先进制造技术来实现产品实物的逆向工程，已成为逆向工程技术应用的主要内容传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，我们称之为正向工程或顺向工程，而产品的逆向工程是依据产已有的品或零件生成图样，再得到产品或零件的模型，并以此对已有的产品进行剖析、理解、改进，是对已有设计的再设计另一方面，在产品开发和制造过程中，虽已广泛运用计算机几何造型技术，但是仍有很多产品，由于种种缘由，最初并不是由计算机协助设计Computer AidedDesign,CAD模型，描述的，设计和制造者面对的是实物样件为了适应先进制造技术的发展，须要通过肯定途径将实物样件转化为CAD模型，以期利用计算机协助制造Computer AidedManufacture,CAM、快速原型制造和快速模具Rapid PrototypingManufacture/RapidTooling,RPM/RT产品数据管理Product DataManagement,PDM及计算机集成制造系统Computer IntegrateManufacture System,CIMS等先进技术对其进行处理或管理“实物逆向工程”简称逆向工程又可定义为逆向工程是和将实物转变为CAD模型相关得数字化技术、集合模型重建技术和产品制造技术的总称

1.2逆向工程的原理逆向工程Reverse Engineering,RE是对产品设计过程的一种描述在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程，即设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后通过绘制图纸建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入到制造流程中，完成产品的整个设计制造周期这样的产品设计过程我们称为“正向设计”过程逆向工程产品设计可以认为是一个“从有到无”的过程简洁地说，逆向工程产品设计就是依据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据包括设计图纸或数字模型的过程从这个意义上说,逆向工程在工业设计中的应用已经很久了早期的船舶工业中常用的船体放样设计就是逆向工程的很好实例随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特殊是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象逆向工程技术可以认为是将产品样件转化为三维模型的相关数字化技术和儿何建模技术的总称逆向工程大致分为五个步骤1设计前的打算工作设计之前应确定设计的整体思路，对实物模型进行系统的分析，划分出模型的特征区，确定模型的基本构成形态的曲面类型，这些关系到相关软件的选择和软件模块的确定；2零件原形的数字化依据测量对象的特点确定扫描方法以及扫描设备，利用3D扫描测量设备来获得零件实物表面点的三维坐标值；3提取零件的几何特征按测量数据的几何属性对其进行分割，分割方法一般可分为两类，一类是基于边界分割法，一类是基于区域分割法区域分割法将相像几何特征的点划为同一区域，具有明确的几何意义，是较为常用的分割方法；4零件CAD模型的重建将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过表面片的拼接获得零件实物表面的CAD模型；5重建CAD模型的检验与修正由于测量得到的数据点往往存在一些数字误差，所以须要对曲面或曲线进行光顺处理，提高曲面质量另外还要检验重建的CAD模型是否满意精度或其他试验性能指标的要求，对不满意要求的应进行适当的调整修改，直至达到零件的标准实物模型数字化测量数据处理三维重构VNC数据生STL文件成快速原型逆向工程流程图曲面的数字化就是在样件表面提取点的坐标值并将其以二维或三维数据点集的形式存放起来的过程曲面的数字化涉及的主要内容是数据测量问题，数据测量方法主要依据测量设备（数字化测量仪）的不同而不同目前逆向工程所用曲面的数字化就是在样件表面提取点的坐标值并将其以二维或三维数据点集的形式存放起来的过程曲面的数字化涉及的主要内容是数据测量问题，数据测量方法主要依据测量设备（数字化测量仪）的不同而不同目前逆向工程所采纳的数字化测量仪主要有机械接触式坐标测量机、光学坐标测量机、激光坐标测量机除此之外，还有工业CT等断层扫描设备也广泛应用于逆向工程系统中依据不同的测量设备以及获得数据的不同方法，我们可以把测量分为接触式和非接触式两大类

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2.2数据处理数据处理是逆向工程的一个重要的技术环节，它确定了CAD模型重建过程是否能够便利、精确地进行运用测量设备测取的三维几何坐标数据都是一些离散点的点云数据，其中存在着噪声点，所以还须要相应的软件来处理点云数据点云数据的处理包括噪声去除、多视对齐、数据精简、数据光顺、数据分割等诸多方面目前比较常用的逆向工程软件有⑴Geomagic美国RainDrop（雨点）公司的逆向工程CAD软件，具有丰富的数据处理手段，可以依据测量数据快速构造出多张连续的曲面模型处理困难形态或自由曲面形态时，效率比传统CAD软件提高了10倍另外还可为新兴应用供应志向的选择，如定制设备大批量生产、即定即造的生产模式以及原始零部件的自动重造

（2）Imagewareo作为UG NX中供应的逆向工程造型软件，ImageWare具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能可以处理几万至几百万的点云数据依据这些点云数据构造的A曲面（CLASS A）具有良好的品质和曲面连续性ImageWare的模型检测功能可以便利、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平面度、真圆度等几何公差

（3）CopyCADo英国DelCam公司系列CAD产品中的一个，主要处理测量数据的曲面造型作为一个系列产品的一部分，CopyCAD与系列中的其他软件可以很好地集成，为用户的运用供应便利4RapidForm韩国INUS公司开发的逆向工程CAD软件主要用于处理测量、0扫描数据的曲面建模以及基于CT数据的医疗图像建模，还可以完成艺术品的测量建模以及高级图形生成RapidForm供应一整套模型分割、曲面生成、曲面检测的工具，用户可以便利地利用以前构造的曲线网格经过缩放处理后应用到新的模型重构过程中

1.3逆向工程的应用逆向工程是一个快速发展的学科，它覆盖了很多应用领域，概括起来有以下一些详细应用1基于实物模型的产品外形设计当设计师难以干脆用计算机进行某些物体如困难的艺术造型、人体和其他动植物外形等的三维几何设计时，常用黏土、木材或泡沫塑料进行初始外形设计概念设计，这就须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、运用效果等方面的缘由，常常要对已有的产品做局部修改在原始设计没有三维CAD模型的状况下，若能将实物构件通过数据测量与处理产生与实际相符的CAD模型，对CAD模型进行修改以后再进行加工，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行替代的作用3对无法得到图纸的已有产品数字化传统产业的产品往往无图纸可用，须要采纳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对以已有产品为基准点进行的设计借鉴别人的胜利设计并在此基础上进行产品再创新设计是在猛烈竞争的市场中赶超同类行业先进水平的一个重要捷径，也是当今的一条新的设计理念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运用寿命

（6）医学模型制作逆向工程系统可通过CT、MRI等临床检测手段获得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觉、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，获得测量结果再与CAD信息进行比较来评价产品的加工精确度快速原型制造

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3.1快速原型制造的定义速原型制造（Rapid PrototypingManufacturing,RPM）是一种基于离散和材料累加原理的制造新技术该技术突破了制造业的传统模式，特殊适合于新产品的开发、单件或少批量产品试制等，是CAD/CAM技术、数据处理技术、CNC技术、测试传感技术、激光技术等多种机械、电子技术、材料技术和计算机软件技术的综合应用，是由CAD模型干脆驱动、快速实现困难形态三维零件的先进制造技术，在计算机限制和管理下依据零件CAD模型，采纳材料精确积累（由点积累成面，由面积累成三维实体）的方法制造原型和零件

4.2快速原型制造的原理理和成形过程是将计算机产生的CAD实体模型，依据工艺要求，按肯定厚度进行分层，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态的二维平面信息；再将分层后的二维信息生成数控代码，以平面加工方式有依次地连续加工出每层模型并使它们自动粘结成形这种快速成形制造是一种全新的生产方法，其原理突破了传统的“材料变形成形”和“去除成形”的工艺方法，可在没有工装夹具或模具的条件下，快速制造出随意困难形态的三维实体零件，成形之后，再经必要的处理，使其在外观、强度和性能方面达到零件的设计要求它彻底摆脱了“去除法”加工的传统制造理念，采纳全新的“生长法”加工组合，为制造。