1、關于“反求工程與快速成型一體化應用研究”的學習總結機研0804 朱曉博 （）快速成型技術(Rapid Prototyping&Manufacturing,RP&M)是20 世紀80 年代末期發展起來的一項先進制造技術, 它借助計算機、激光、精密傳動、精密伺候等現代化手段, 將計算機輔助設計(CAD) 、計算機輔助制造(CAM) 、計算機數字控制(CNC) 集成于一體, 根據在計算機上構造的三維模型, 能在短時間內運用一定材料制造產品樣品, 無需傳統的機械加工機床和模具的一種添加成型技術1。反求工程技術(Reverse Engineering, RE) 又稱逆向工程技術, 是以產

2、品及設備的實物、軟件( 圖樣、程序及技術文件) 或影像(圖片、照片)等作為研究對象, 反求出初始的設計意圖。簡單說, 反求就是對存在的實物模型或零件進行測量并根據測量數據重構出實物的CAD 模型, 進而對實物進行分析、修改、檢驗和制造的過程。這里所指的反求是實物反求。反求工程是快速成型制造的重要數據來源之一, 將反求工程與快速成型技術相結合, 能夠在已有樣件或原型的基礎上進行復仿制, 進行迅速評價、修改和產品的創新再設計, 并自動快速地將設計轉化為具有相應結構和功能的原型產品或直接制造出零部件, 縮短新產品的設計和研制周期, 降低新產品的研制成本和風險, 從而快速響應市場需求, 提高企業競爭力

3、。作為一種處理難以用CAD 設計的零件模型以及表面形狀極不規則的產品模型的最有利的土具, 可以實現零件的快速三維復制、CAD 建模和快速制造。它與快速成型的結合形成了一個設計、制造、檢測的快速設計制造閉合系統。本文主要討論反求工程和快速成型的一些技術, 并舉出實例。1 反求工程數據處理的主要內容1.1 數據處理構造CAD 幾何模型前, 反求工程大致分三個階段: 首先對已有三維實體模型進行數據采集(又稱零件數字化) , 生成數據“點云”; 然后對數據“點云”進行濾波去噪處理, 去除點云數據中的“壞點”; 最后通過曲面構造技術對數據點云進行曲面擬合, 生成三維曲面模型。1.2 反求工程與快速成型的

4、數據交換數據交換主要包括以下方面3: 用反求技術直接生成STL 文件, 供RP 系統的數據處理軟件直接使用, 產生代碼; 利用反求技術生成層片文件-CLI(Common Layer Interface)文件, 這種輸出比較適用于對各種CT 圖像的反求, 并且由于RP 本身就是分層制造法, 用斷層圖像或矢量化的層片輪廓信息直接驅動RP 設備逐層疊加而成三維實體; 利用反求技術來重構出實體模型, 借助于CAD 系統來轉化成STL 文件。對于快速成型技術來說, 反求工程目的之一在于獲得產品的幾何造型與結構數據, 通過各種三維數字化儀得到零件造型和結構數據后, 可以借助三維重構技術在CAD 軟件中重新

5、編輯( 修改和縮放) , 再轉換成G-Code 或STL 文件, 供快速原型制造設備使用, 從而可直接加工制作出相應的模具、模型或零件。2 反求工程與快速成型一體化2.1 三維數據采集目前先進的快速成型技術進行的前提就是有成型對象的三維模型數據。所以物體三維表面測量及重建技術是以上技術實現的第一個步驟, 有著重要的理論意義和實際意義。測量物體表面的數據點并再現物體形狀, 將其應用于制造等領域一直是人們所追求的。三維數據的獲取方法分為兩大類, 接觸式與非接觸式測量方法: 接觸式測量方法通過傳感測量頭與樣件的接觸而記錄樣件表面的坐標位置, 可以細分為點觸發式和連續式數據采集方法;非接觸式測量方法主

6、要是基于光學、聲學、磁學等領域中的基本原理, 將一定的物理模擬量通過適當的算法轉化為樣件表面的坐標點。根據測量原理的不同, 大致有光學測量、超聲波測量、電磁測量等方式, 這種方法的一個應用是三維掃描技術, 它是一種立體測量技術。與傳統的技術相比,能夠完成復雜形體的點、面、形的三維測量, 能進行高精度的快速無接觸測量。2.2 三維模型重構和關鍵技術2.2.1 三維模型重構在重建過程中存在許多干擾和不確定性因素, 如表格誤差、測量精度和方式、數據處理方式、表面重構方式等。反求工程是基于已有實物模型或零件的測量數據的情況下, 進行物體CAD 模型重建的過程。通常, 需要進行人工干預來調整重構模型的表

7、面參數。因此, 整個反求工程過程是一稱之為曲面重建。目前, 在反求工程中, 主要有3 種曲面構造方案: 以B-Spine 或NURBS 曲面為基礎的曲面構造方案; 以三角Bezier 曲面為基礎的曲面構造方案; 以多面體方式來描述曲面物體。曲面重構的關鍵技術, 包括數據采集、數據篩選、曲線擬合、曲面擬合等。在曲面重構過程中, 既要保證曲面質量, 又要保證設計精度。2.2.2 關鍵技術曲面分層是曲面成形的關鍵技術之一。曲面分層是以一系列的曲面與CAD 模型求交。分層曲面如何確定是分層技術中的關鍵之一。曲面成形是為了解決小傾斜度表面的臺階誤差問題, 所以分層曲面需根據零件表面來確定。第二是要根據關

8、鍵曲面, 構造更多的中間分層面, 以保證層與層之間不會出現超出系統成型能力的厚度。成形控制技術是曲面成形的另一個關鍵技術。目前在曲面成形方面有以下幾個問題需要解決: 構造分層曲面, 包括確定曲面和構造過渡曲面; 分層算法。現有分層算法用平面和CAD 模型求交, 而曲面和CAD 模型的求交算法則很復雜; 噴頭運動軌跡控制。由于制造層片增加時增加了厚度層, 需使用三軸聯動的運動控制系統, 同時噴頭的運動還要避免已成原形, 防止破壞; 材料輸送匹配。需要根據噴頭速度和成形高度實時控制材料的擠出量, 消除過堆和欠堆。2.3 一體化應具備的特點一個與快速成型技術完全匹配的反求系統應具備關鍵的七個特點:

9、測量速度快, 精度高(±10m); 能測量內外輪廓, 最好不破壞樣件; 能把測量數據轉換成CAD 模型; 具有把CAD 模型文件轉換成STL 文件的功能并能直接切片; 能自動化測量, 且成本低; 不受或盡量不受外界條件和環境的限制; 能測量各種材質、形狀且具有不同物理性能的物體。2.4 一體化流程描述重構的一體化流程如圖1 所示。3 反求工程應用實例利用反求工程對實物汽車引擎蓋進行三維重構, 具體步驟6-9是:(1)點云的采集利用三坐標ATOS 測量機生成的引擎蓋自由曲面的掃描數據點云, 如圖2(a) 。(2) 創建曲線這里應用軟件Imageware 對噴頭做點云數據進行處理, 對讀

10、入的點云進行曲線編輯和修改, 使曲線均勻并且兼容, 如圖2( b) 。(3) 生成曲面對曲面進行編輯、驗證和修飾, 如圖2( c) 。Imageware 在曲面構造方面是基于NURBS來完成的,又稱非均勻有理B 樣條曲面,它的數學模型為: 式中:di,j 為控制頂點,呈拓撲矩形陣列,形成一個控式中:di,j 為控制頂點,呈拓撲矩形陣列,形成一個控制網格, i=0, 1, , m; j=0, 1, , n; #i,j 為與頂點di,j聯系的權因子, 規定四角頂點處用正權因子,即#0,0,#m,0,#0,n,#m,n>0, 其余i,j0 且順序k×l 個權因子不能同時為零; Ni,

11、k (!), Nj,l (")為分別為u 向k次和" 向l 次的規范B 樣條基。(4) 對生成的曲面進行誤差分析其實質是對生成的曲面與點云數據進行對比分析, 比較曲面與點云數據的誤差, 如圖2(d)。(5)汽車引擎蓋膠模制作采用西安交通大學先進制造技術研究所研制開發的激光快速成型機(LaserPrototypingSystem)SPS-600 制作光敏樹脂原型,采用光固化樹脂在成型機里進行澆注, 此過程主要以快速成型制作的原型作為母模進行硅橡膠模的制作。其工藝流程為:將母模放入型框,在真空澆注機中注入混合好的液態硅橡膠, 再放到烘箱中固化, 便得到硅橡膠模。按照零件的復雜程

12、度設計分模面,將硅橡膠模切割成上下兩塊, 取出母模便制作完畢。當需要復制原型時, 尤其對于批量不大的塑件生產, 可以采用RP原型快速翻制的硅橡膠模具通過樹脂材料真空注型來實現。這里將快速成型技術與鑄造工藝的結合使得快速成型技術與鑄造技術兩者的優點均得到充分的發揮。4 總結與思考基于RP 技術的快速模具制造由于技術集成度高,從CAD數據到物理實體轉換過程快,制模成本低,精度和模具壽命能滿足某種特定的功能需要, 綜合經濟效益良好,特別適用于新產品開發試制、工藝驗證和功能驗證。反求工程是處理難以用CAD 設計的零件模型以及表面形狀極不規則的產品模型的最有利的工具, 可以實現零件的快速三維復制、CAD 建模和快速制造。較之于規則曲面零件, 復雜曲面零件的設計、加工、精度檢驗等信息的獲取要復雜得多, 通常采用反求工程技術來完成。今后