關(guān)于“反求工程與快速成型一體化應(yīng)用研究”的學(xué)習(xí)總結(jié)

1、關(guān)于“反求工程與快速成型一體化應(yīng)用研究”的學(xué)習(xí)總結(jié)機(jī)研0804 朱曉博 （）快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping&Manufacturing,RP&M)是20 世紀(jì)80 年代末期發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù), 它借助計(jì)算機(jī)、激光、精密傳動(dòng)、精密伺候等現(xiàn)代化手段, 將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD) 、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM) 、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC) 集成于一體, 根據(jù)在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造的三維模型, 能在短時(shí)間內(nèi)運(yùn)用一定材料制造產(chǎn)品樣品, 無(wú)需傳統(tǒng)的機(jī)械加工機(jī)床和模具的一種添加成型技術(shù)1。反求工程技術(shù)(Reverse Engineering, RE) 又稱(chēng)逆向工程技術(shù), 是以產(chǎn)

2、品及設(shè)備的實(shí)物、軟件( 圖樣、程序及技術(shù)文件) 或影像(圖片、照片)等作為研究對(duì)象, 反求出初始的設(shè)計(jì)意圖。簡(jiǎn)單說(shuō), 反求就是對(duì)存在的實(shí)物模型或零件進(jìn)行測(cè)量并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)重構(gòu)出實(shí)物的CAD 模型, 進(jìn)而對(duì)實(shí)物進(jìn)行分析、修改、檢驗(yàn)和制造的過(guò)程。這里所指的反求是實(shí)物反求。反求工程是快速成型制造的重要數(shù)據(jù)來(lái)源之一, 將反求工程與快速成型技術(shù)相結(jié)合, 能夠在已有樣件或原型的基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)仿制, 進(jìn)行迅速評(píng)價(jià)、修改和產(chǎn)品的創(chuàng)新再設(shè)計(jì), 并自動(dòng)快速地將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為具有相應(yīng)結(jié)構(gòu)和功能的原型產(chǎn)品或直接制造出零部件, 縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研制周期, 降低新產(chǎn)品的研制成本和風(fēng)險(xiǎn), 從而快速響應(yīng)市場(chǎng)需求, 提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力

3、。作為一種處理難以用CAD 設(shè)計(jì)的零件模型以及表面形狀極不規(guī)則的產(chǎn)品模型的最有利的土具, 可以實(shí)現(xiàn)零件的快速三維復(fù)制、CAD 建模和快速制造。它與快速成型的結(jié)合形成了一個(gè)設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)的快速設(shè)計(jì)制造閉合系統(tǒng)。本文主要討論反求工程和快速成型的一些技術(shù), 并舉出實(shí)例。1 反求工程數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容1.1 數(shù)據(jù)處理構(gòu)造CAD 幾何模型前, 反求工程大致分三個(gè)階段: 首先對(duì)已有三維實(shí)體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(又稱(chēng)零件數(shù)字化) , 生成數(shù)據(jù)“點(diǎn)云”; 然后對(duì)數(shù)據(jù)“點(diǎn)云”進(jìn)行濾波去噪處理, 去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的“壞點(diǎn)”; 最后通過(guò)曲面構(gòu)造技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)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(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)交換主要包括以下方面3: 用反求技術(shù)直接生成STL 文件, 供RP 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件直接使用, 產(chǎn)生代碼; 利用反求技術(shù)生成層片文件-CLI(Common Layer Interface)文件, 這種輸出比較適用于對(duì)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(qū)動(dòng)RP 設(shè)備逐層疊加而成三維實(shí)體; 利用反求技術(shù)來(lái)重構(gòu)出實(shí)體模型, 借助于CAD 系統(tǒng)來(lái)轉(zhuǎn)化成STL 文件。對(duì)于快速成型技術(shù)來(lái)說(shuō), 反求工程目的之一在于獲得產(chǎn)品的幾何造型與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù), 通過(guò)各種三維數(shù)字化儀得到零件造型和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)后, 可以借助三維重構(gòu)技術(shù)在CAD 軟件中重新

5、編輯( 修改和縮放) , 再轉(zhuǎn)換成G-Code 或STL 文件, 供快速原型制造設(shè)備使用, 從而可直接加工制作出相應(yīng)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(shù)據(jù)采集目前先進(jìn)的快速成型技術(shù)進(jìn)行的前提就是有成型對(duì)象的三維模型數(shù)據(jù)。所以物體三維表面測(cè)量及重建技術(shù)是以上技術(shù)實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)步驟, 有著重要的理論意義和實(shí)際意義。測(cè)量物體表面的數(shù)據(jù)點(diǎn)并再現(xiàn)物體形狀, 將其應(yīng)用于制造等領(lǐng)域一直是人們所追求的。三維數(shù)據(jù)的獲取方法分為兩大類(lèi), 接觸式與非接觸式測(cè)量方法: 接觸式測(cè)量方法通過(guò)傳感測(cè)量頭與樣件的接觸而記錄樣件表面的坐標(biāo)位置, 可以細(xì)分為點(diǎn)觸發(fā)式和連續(xù)式數(shù)據(jù)采集方法;非接觸式測(cè)量方法主

6、要是基于光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域中的基本原理, 將一定的物理模擬量通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)化為樣件表面的坐標(biāo)點(diǎn)。根據(jù)測(cè)量原理的不同, 大致有光學(xué)測(cè)量、超聲波測(cè)量、電磁測(cè)量等方式, 這種方法的一個(gè)應(yīng)用是三維掃描技術(shù), 它是一種立體測(cè)量技術(shù)。與傳統(tǒng)的技術(shù)相比,能夠完成復(fù)雜形體的點(diǎn)、面、形的三維測(cè)量, 能進(jìn)行高精度的快速無(wú)接觸測(cè)量。2.2 三維模型重構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)2.2.1 三維模型重構(gòu)在重建過(guò)程中存在許多干擾和不確定性因素, 如表格誤差、測(cè)量精度和方式、數(shù)據(jù)處理方式、表面重構(gòu)方式等。反求工程是基于已有實(shí)物模型或零件的測(cè)量數(shù)據(jù)的情況下, 進(jìn)行物體CAD 模型重建的過(guò)程。通常, 需要進(jìn)行人工干預(yù)來(lái)調(diào)整重構(gòu)模型的表

7、面參數(shù)。因此, 整個(gè)反求工程過(guò)程是一稱(chēng)之為曲面重建。目前, 在反求工程中, 主要有3 種曲面構(gòu)造方案: 以B-Spine 或NURBS 曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方案; 以三角Bezier 曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方案; 以多面體方式來(lái)描述曲面物體。曲面重構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù), 包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)篩選、曲線擬合、曲面擬合等。在曲面重構(gòu)過(guò)程中, 既要保證曲面質(zhì)量, 又要保證設(shè)計(jì)精度。2.2.2 關(guān)鍵技術(shù)曲面分層是曲面成形的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)中的關(guān)鍵之一。曲面成形是為了解決小傾斜度表面的臺(tái)階誤差問(wèn)題, 所以分層曲面需根據(jù)零件表面來(lái)確定。第二是要根據(jù)關(guān)

8、鍵曲面, 構(gòu)造更多的中間分層面, 以保證層與層之間不會(huì)出現(xiàn)超出系統(tǒng)成型能力的厚度。成形控制技術(shù)是曲面成形的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。目前在曲面成形方面有以下幾個(gè)問(wèn)題需要解決: 構(gòu)造分層曲面, 包括確定曲面和構(gòu)造過(guò)渡曲面; 分層算法?，F(xiàn)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(fù)雜; 噴頭運(yùn)動(dòng)軌跡控制。由于制造層片增加時(shí)增加了厚度層, 需使用三軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng), 同時(shí)噴頭的運(yùn)動(dòng)還要避免已成原形, 防止破壞; 材料輸送匹配。需要根據(jù)噴頭速度和成形高度實(shí)時(shí)控制材料的擠出量, 消除過(guò)堆和欠堆。2.3 一體化應(yīng)具備的特點(diǎn)一個(gè)與快速成型技術(shù)完全匹配的反求系統(tǒng)應(yīng)具備關(guān)鍵的七個(gè)特點(diǎn):

9、測(cè)量速度快, 精度高(±10m); 能測(cè)量?jī)?nèi)外輪廓, 最好不破壞樣件; 能把測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAD 模型; 具有把CAD 模型文件轉(zhuǎn)換成STL 文件的功能并能直接切片; 能自動(dòng)化測(cè)量, 且成本低; 不受或盡量不受外界條件和環(huán)境的限制; 能測(cè)量各種材質(zhì)、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(gòu)的一體化流程如圖1 所示。3 反求工程應(yīng)用實(shí)例利用反求工程對(duì)實(shí)物汽車(chē)引擎蓋進(jìn)行三維重構(gòu), 具體步驟6-9是:(1)點(diǎn)云的采集利用三坐標(biāo)ATOS 測(cè)量機(jī)生成的引擎蓋自由曲面的掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)云, 如圖2(a) 。(2) 創(chuàng)建曲線這里應(yīng)用軟件Imageware 對(duì)噴頭做點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 對(duì)讀

10、入的點(diǎn)云進(jìn)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(duì)曲面進(jìn)行編輯、驗(yàn)證和修飾, 如圖2( c) 。Imageware 在曲面構(gòu)造方面是基于NURBS來(lái)完成的,又稱(chēng)非均勻有理B 樣條曲面,它的數(shù)學(xué)模型為: 式中:di,j 為控制頂點(diǎn),呈拓?fù)渚匦侮嚵?形成一個(gè)控式中:di,j 為控制頂點(diǎn),呈拓?fù)渚匦侮嚵?形成一個(gè)控制網(wǎng)格, i=0, 1, , m; j=0, 1, , n; #i,j 為與頂點(diǎn)di,j聯(lián)系的權(quán)因子, 規(guī)定四角頂點(diǎn)處用正權(quán)因子,即#0,0,#m,0,#0,n,#m,n>0, 其余i,j0 且順序k×l 個(gè)權(quán)因子不能同時(shí)為零; Ni,

11、k (!), Nj,l (")為分別為u 向k次和" 向l 次的規(guī)范B 樣條基。(4) 對(duì)生成的曲面進(jìn)行誤差分析其實(shí)質(zhì)是對(duì)生成的曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析, 比較曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差, 如圖2(d)。(5)汽車(chē)引擎蓋膠模制作采用西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所研制開(kāi)發(fā)的激光快速成型機(jī)(LaserPrototypingSystem)SPS-600 制作光敏樹(shù)脂原型,采用光固化樹(shù)脂在成型機(jī)里進(jìn)行澆注, 此過(guò)程主要以快速成型制作的原型作為母模進(jìn)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(jī)中注入混合好的液態(tài)硅橡膠, 再放到烘箱中固化, 便得到硅橡膠模。按照零件的復(fù)雜程

12、度設(shè)計(jì)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(dāng)需要復(fù)制原型時(shí), 尤其對(duì)于批量不大的塑件生產(chǎn), 可以采用RP原型快速翻制的硅橡膠模具通過(guò)樹(shù)脂材料真空注型來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里將快速成型技術(shù)與鑄造工藝的結(jié)合使得快速成型技術(shù)與鑄造技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)均得到充分的發(fā)揮。4 總結(jié)與思考基于RP 技術(shù)的快速模具制造由于技術(shù)集成度高,從CAD數(shù)據(jù)到物理實(shí)體轉(zhuǎn)換過(guò)程快,制模成本低,精度和模具壽命能滿(mǎn)足某種特定的功能需要, 綜合經(jīng)濟(jì)效益良好,特別適用于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)試制、工藝驗(yàn)證和功能驗(yàn)證。反求工程是處理難以用CAD 設(shè)計(jì)的零件模型以及表面形狀極不規(guī)則的產(chǎn)品模型的最有利的工具, 可以實(shí)現(xiàn)零件的快速三維復(fù)制、CAD 建模和快速制造。較之于規(guī)則曲面零件, 復(fù)雜曲面零件的設(shè)計(jì)、加工、精度檢驗(yàn)等信息的獲取要復(fù)雜得多, 通常采用反求工程技術(shù)來(lái)完成。今后