逆向工程教案

1、熱烈歡迎08班同學(xué)！逆向工程與快速成形技術(shù)逆向工程教案第1頁1.1 逆向工程定義1.2 逆向工程工作流程1.3 逆向工程系統(tǒng)組成1.4 逆向工程與產(chǎn)品創(chuàng)新1.5 逆向工程慣用軟件介紹第1章 逆向工程技術(shù)概述逆向工程教案第2頁 設(shè)計 樣機(jī) 生產(chǎn)工程需求圖檔工業(yè)設(shè)計？樣品？試驗(yàn)怎樣快速制造？產(chǎn)品小批量？逆向工程、快速成形、快速模具 是產(chǎn)品快速開發(fā)技術(shù)！逆向工程教案第3頁傳統(tǒng)正向設(shè)計方法過程N(yùn)o需求分析詳 細(xì)設(shè) 計初步設(shè)計概念設(shè)計工 藝規(guī) 劃可行性分析？Yes樣機(jī)試制 制 造設(shè)計與制造信息描述 是從構(gòu)思到數(shù)字模型，再到產(chǎn)品（實(shí)物）演化過程逆向工程教案第4頁傳統(tǒng)正向設(shè)計方法表示設(shè)計信息可用參數(shù)準(zhǔn)確描述

2、逆向工程教案第5頁逆向工程技術(shù)產(chǎn)生逆向工程教案第6頁逆向工程定義逆向工程（Reverse Engineering，RE）是將實(shí)物模型轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)數(shù)字化測量技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)總稱。逆向工程教案第7頁1.2 逆向工程應(yīng)用設(shè)計物理模型到數(shù)字模型轉(zhuǎn)換引進(jìn)技術(shù)吸收消化和再創(chuàng)新試驗(yàn)?zāi)Ｐ娃D(zhuǎn)換成數(shù)字模型藝術(shù)品、文物復(fù)制醫(yī)學(xué)應(yīng)用（骨頭、關(guān)節(jié)、牙齒、假肢）服裝、鞋子、頭盔、首飾定制復(fù)雜型面制造質(zhì)量檢測逆向工程教案第8頁逆向工程教案第9頁逆向工程教案第10頁逆向工程教案第11頁逆向工程教案第12頁逆向工程教案第13頁逆向工程教案第14頁實(shí)物模型形狀數(shù)字化測量CAD模型重建CAE分析快速原型

3、工藝規(guī)劃制造是從實(shí)物到數(shù)字模型，再到產(chǎn)品（實(shí)物）演化過程 1.3 逆向工程工作流程1、工作流程逆向工程教案第15頁2、逆向工程信息表示形面組成復(fù)雜，設(shè)計信息難以用參數(shù)準(zhǔn)確描述逆向工程教案第16頁逆向工程型面數(shù)據(jù)測量測量數(shù)據(jù)處理數(shù)字模型重構(gòu)CMM激光掃描結(jié)構(gòu)白光NURBS(B-Spline)三角曲面三角面片點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合特征邊界提取數(shù)據(jù)精簡等3、研究內(nèi)容逆向工程教案第17頁1.4 逆向工程系統(tǒng)組成幾何外形數(shù)字化CAD模型重構(gòu)產(chǎn)品或模具制造測量機(jī)與測量探頭數(shù)據(jù)處理模型重建軟件：一是用于正向設(shè)計CAD/CAE/CAM軟件；二是集成有逆向功效模塊正向CAD/CAE/CAM軟件；三是專用逆向工程軟件，。另

4、外，還要PDM等軟件。支撐硬件平臺有個人計算機(jī)和工作站。CAE軟件 CNC加工設(shè)備快速成型機(jī)產(chǎn)品制造設(shè)備系統(tǒng)逆向工程教案第18頁1.5 逆向工程與產(chǎn)品創(chuàng)新是指充分發(fā)揮設(shè)計者創(chuàng)造力，利用人類已經(jīng)有相關(guān)科學(xué)技術(shù)結(jié)果進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思，設(shè)計出含有科學(xué)性、創(chuàng)造性、新奇性及實(shí)用性產(chǎn)品一個實(shí)踐活動，是創(chuàng)造含有市場競爭優(yōu)勢商品過程。其基本特征是新奇性和先進(jìn)性。1、創(chuàng)新設(shè)計定義逆向工程教案第19頁常規(guī)設(shè)計：一般只需對某些參數(shù)作些變動原理開拓型：運(yùn)用新技術(shù)原了解決新問題、應(yīng)用新技術(shù)原了解決老問題、對“舊”技術(shù)原理進(jìn)行新開發(fā)應(yīng)用組合創(chuàng)新類：將已經(jīng)有零部件，經(jīng)過有機(jī)組合而成為一種產(chǎn)品，這種產(chǎn)品又能達(dá)到一種新整體功效轉(zhuǎn)用創(chuàng)

5、新類：將已知解決方案轉(zhuǎn)用于另一類技術(shù)領(lǐng)域，并產(chǎn)生出新效果利用性質(zhì)類：利用常見性質(zhì)進(jìn)行發(fā)明、利用性質(zhì)組合進(jìn)行發(fā)明、利用不常見性質(zhì)進(jìn)行發(fā)明、經(jīng)過發(fā)現(xiàn)客觀世界性質(zhì)進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、發(fā)現(xiàn)涵蓋一類現(xiàn)象理論進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造2、創(chuàng)新設(shè)計分類逆向工程教案第20頁就地出發(fā)型：需求適應(yīng)法，希望實(shí)現(xiàn)法、缺點(diǎn)消除法、更材易質(zhì)法、由此思彼法、聯(lián)想推廣法、類似比較法、仿生法、迂回轉(zhuǎn)向法多項(xiàng)擴(kuò)散型：擴(kuò)展功效法、系統(tǒng)搜索法、分解組正當(dāng)集思廣益型：暢談集智法、默寫集智法、函詢集智法3、創(chuàng)新設(shè)計方法逆向工程教案第21頁4、產(chǎn)品設(shè)計逆向工程兩種方式一是由設(shè)計師、美工師事先設(shè)計好產(chǎn)品油泥或木制模型，由坐標(biāo)測量機(jī)將模型數(shù)據(jù)掃入，再建立計算機(jī)模

6、型。二是針對已經(jīng)有產(chǎn)品實(shí)物零件，通常是國內(nèi)外一些最新設(shè)計產(chǎn)品，這種產(chǎn)品逆向設(shè)計方法也就是仿制。 仿制是一個最低層次逆向工程，有可能觸犯法律。所以，需要對模型進(jìn)行修改、再設(shè)計，以取得一個不完全相同甚至不一樣新結(jié)構(gòu)外形，最終到達(dá)產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新之目標(biāo)。逆向工程教案第22頁5、逆向創(chuàng)新設(shè)計過程創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：滿足內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求；模型可方便地修改；有支持創(chuàng)新CAD系統(tǒng)（決議、人工智能、知識庫）當(dāng)前，模型重建主要方式是擬合曲面片，然后再建立產(chǎn)品曲面整體以及實(shí)體模型。這種建模方式對恢復(fù)原型是有效。但對模型進(jìn)行修改或再設(shè)計，操作起來就顯得十分困難。所以，需要尋求新模型表示及建模方法。數(shù)字化模型重建創(chuàng)新設(shè)計

7、下游過程逆向工程教案第23頁6、支持創(chuàng)新逆向建模方法參數(shù)化、變量化建模重建曲面模型平面、球、橢圓、二次曲面等特征庫特征操作：求交、裁剪、過渡等幾何特征幾何特征幾何特征二維約束圖二維約束圖二維約束圖逆向工程教案第24頁1.6 逆向工程慣用軟件介紹 1、含有代表性逆向軟件： ImageWare Surfacer、Geomagic、 Paraform、 Quick Shape、Copy CAD、Surface Reconstruction、DigiSurf、Mimics、SurfaceStudio逆向工程教案第25頁1.6 逆向工程慣用軟件介紹 2、Geomagic Studio軟件： 主要功效有：

8、自動將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多邊形（Polygons）快速降低多邊形數(shù)目（Decimate）把多邊形轉(zhuǎn)換為NURBS曲面曲面分析（公差分析等）輸出與CAD/CAM/CAE匹配文件格式 逆向工程教案第26頁1.6 逆向工程慣用軟件介紹 3、工作流程：掃描對齊 掃描整理噪音減小采樣基于曲率孔填充多邊形編輯邊界修補(bǔ)特征構(gòu)建特征識別特征線選取邊界構(gòu)建面片組織目標(biāo)組合掃描光滑數(shù)據(jù)目標(biāo)光滑曲面整理邊界目標(biāo)規(guī)則化現(xiàn)實(shí)狀況調(diào)整3D掃描點(diǎn)階段多邊形階段成形階段CAD/CAM/CAE逆向工程教案第27頁第2章 逆向工程數(shù)據(jù)測量與處理2.1 數(shù)據(jù)測量方法與特點(diǎn)2.2 數(shù)據(jù)處理流程2.3 數(shù)據(jù)測量與處理實(shí)例逆向工程教案第28

9、頁2.1 數(shù)據(jù)測量方法與特點(diǎn)三坐標(biāo)測量機(jī)(CMM) 類型按結(jié)構(gòu)形式分為：移動橋式、龍門式、懸臂式、水平臂式、坐標(biāo)鏜床、臥式鏜床和儀器臺式等逆向工程教案第29頁三坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）將被測物體置于三坐標(biāo)機(jī)測量空間，可取得被測物體上各測量點(diǎn)坐標(biāo)位置，依據(jù)這些點(diǎn)空間坐標(biāo)值，經(jīng)計算可求出被測得幾何尺寸、形狀和位置。 測量原理逆向工程教案第30頁 組成：逆向工程教案第31頁 三坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）測頭：按照結(jié)構(gòu)原理，可分為機(jī)械式、光學(xué)式和電氣式等 按測量方法，可分為接觸式和非接觸式 接觸式觸頭可分為硬測頭和軟測頭激光掃描測頭模擬掃描測頭光學(xué)掃描測頭逆向工程教案第32頁機(jī)械接觸式測頭逆向工程教案第33頁三

10、坐標(biāo)測量機(jī)（CMM） 接觸式特點(diǎn) 接觸測量 精度高，幾個um 可直接測量特征尺寸 測量速度慢 硬質(zhì)表面 內(nèi)部尺寸受限制逆向工程教案第34頁光電式測頭結(jié)構(gòu)形式三角法測頭、激光聚集測頭、光纖測頭、體視式三維測頭、接觸式光柵測頭 逆向工程教案第35頁三角法測頭基本原理 由激光器2發(fā)出光，經(jīng)聚光鏡3形成很細(xì)平行光束，照射到被測工件4上（工件表面反射回來光可能是鏡面反射光，也可能是漫反射光，三角法測頭是利用漫反射光進(jìn)行探測），其漫反射回來光經(jīng)成像鏡5在光電檢測器1上成像。 逆向工程教案第36頁1）因?yàn)椴淮嬖跍y量力，因而適合于測量各種軟和薄工件；2）因?yàn)槭欠墙佑|測量，能夠?qū)ぜ砻孢M(jìn)行快速掃描測量；3）多

11、數(shù)光學(xué)測頭含有比較大量程，在離工件表面很遠(yuǎn)地方（如40mm100mm）也可對工件進(jìn)行測量，且測頭測量范圍也較大（如5mm10mm）。這是普通接觸式測頭難以到達(dá)；4）能夠探測工件上普通機(jī)械測頭難以探測到部位。最大優(yōu)點(diǎn)就是工作距離大，不過三角法測頭測量精度不是很高，其測量不確定度大致在幾十至幾百微米左右。 光學(xué)測頭特點(diǎn)逆向工程教案第37頁電氣式測頭類型：動態(tài)測頭和靜態(tài)測頭 動態(tài)測頭（觸發(fā)式）結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)動態(tài)測頭結(jié)構(gòu)簡單、成本低，可用于高速測量，但精度稍低，而且動態(tài)測頭不能以接觸狀態(tài)停留在工件表面，因而只能對工件表面作離散逐點(diǎn)測量，不能作連續(xù)掃描測量。 逆向工程教案第38頁靜態(tài)測頭結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)靜

12、態(tài)測頭除具備觸發(fā)式測頭觸發(fā)采樣功效外，還相當(dāng)于一臺超小型三坐標(biāo)測量機(jī)。測頭中有三維幾何量傳感器，在測頭與工件表面接觸時，在X、Y、Z三個方向都有對應(yīng)位移量輸出，從而驅(qū)動伺服系統(tǒng)進(jìn)行自動調(diào)整，使測頭停在要求位移量上，在測頭靠近靜止?fàn)顟B(tài)下采集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，故稱為靜態(tài)測頭。靜態(tài)測頭沿工件表面移動時，可一直保持接觸狀態(tài)，進(jìn)行掃描測量，因而也稱為掃描測頭。其主要特點(diǎn)是精度高，能夠作連續(xù)掃描，但制造技術(shù)難度大，采樣速度慢，價格昂貴，適合于高精度測量機(jī)使用。 逆向工程教案第39頁X向加力機(jī)構(gòu)是利用電磁鐵6推進(jìn)杠桿5，使其繞十字片簧8回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動而推進(jìn)中間傳力桿7圍繞波紋管4組成多向回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，因?yàn)橹虚g傳力

13、桿與轉(zhuǎn)接座17用片簧相連，因而推進(jìn)測頭在X方向“預(yù)偏置”。Z向加力機(jī)構(gòu)是利用電磁鐵9產(chǎn)生，當(dāng)電磁鐵作用時，在Z向產(chǎn)生上升或下降會經(jīng)過頂桿12推進(jìn)被懸掛Z向活動導(dǎo)軌板，從而推進(jìn)測頭在Z方向“預(yù)偏置”。 逆向工程教案第40頁測頭附件測端為了擴(kuò)大測頭功效、提升測量效率以及探測各種零件不一樣部位，常需為測頭配置各種附件，如測端、探針、連接器、測頭回轉(zhuǎn)附件等。 逆向工程教案第41頁測頭附件探針探針是指可更換測桿。在有些情況下，為了便于測量，需選取不一樣探針。探針對測量能力和測量精度有較大影響，在選取時應(yīng)注意：1）在滿足測量要求前提下，探針應(yīng)盡可能短；2）探針直徑必須小于測端直徑，在不發(fā)生干涉條件下，應(yīng)盡

14、可能選大直徑探針；3）在需要長探針時，可選取硬質(zhì)合金探針，以提升剛度。若需要尤其長探針，可選取質(zhì)量較輕陶瓷探針。 逆向工程教案第42頁測頭附件連接器為了將探針連接到測頭上、測頭連接到回轉(zhuǎn)體上或測量機(jī)主軸上，需采取各種連接器。慣用有星形探針連接器、連接軸、星形測頭座等。逆向工程教案第43頁測頭附件回轉(zhuǎn)附件 對于有些工件表面檢測，比如一些傾斜表面、整體葉輪葉片表面等，僅用與工作臺垂直探針探測將無法完成要求測量，這時就需要借助一定回轉(zhuǎn)附件，使探針或整個測頭回轉(zhuǎn)一定角度再進(jìn)行測量，從而擴(kuò)大測頭功效。 逆向工程教案第44頁三坐標(biāo)測量機(jī)測量軟件分為基本測量軟件、專用測量軟件和附加測量軟件基本測量軟件：必備

15、最小配置軟件，負(fù)責(zé)完成整個測量系統(tǒng)管理，通常具備以下功效（1）運(yùn)動管理功效：包含運(yùn)動方式選擇、運(yùn)動進(jìn)度選擇、測量速度選擇；（2）測頭管理功效：包含測頭標(biāo)定、測頭校正、自動賠償測頭半徑、各向偏置、測頭保護(hù)和測頭管理。（3）零件管理功效：確定零件坐標(biāo)系及坐標(biāo)原點(diǎn)、不一樣坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。（4）輔助功效：坐標(biāo)系及單位選擇。（5）輸出管理功效：輸出設(shè)備選擇、輸出結(jié)果及格式選擇；（6）幾何元素測量功效：逆向工程教案第45頁專用測量軟件：是針對某種含有特定用途零部件測量問題而開發(fā)軟件。附加功效軟件：為增加三坐標(biāo)測量機(jī)功效和用軟件賠償方法提升測量精度提供軟件，有附加驅(qū)動軟件、最正確配合測量軟件、統(tǒng)計分析測量程序軟

16、件、隨行夾具測量軟件三坐標(biāo)測量機(jī)測量軟件逆向工程教案第46頁2.2 數(shù)據(jù)處理流程數(shù)據(jù)預(yù)處理 目標(biāo)：取得完整、正確測量數(shù)據(jù)以方便后續(xù)造型工作。 主要工作：格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)過濾及平滑、分塊數(shù)據(jù)整合對齊、球頭半徑賠償、數(shù)據(jù)精簡、數(shù)據(jù)分割逆向工程教案第47頁1、格式轉(zhuǎn)換每一個CAD系統(tǒng)都有自己數(shù)據(jù)文件，其系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式各不相同，極大地影響了設(shè)計和制造各部門之間或企業(yè)之間數(shù)據(jù)傳輸和程序銜接自動化，給數(shù)據(jù)通訊帶來困難。主要數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)：IGES、STEP、STL等。在CMM和CAD/CAM系統(tǒng)之間以IGES格式傳輸數(shù)據(jù)成為標(biāo)準(zhǔn)選擇和配置。逆向工程教案第48頁2、球頭半徑賠償二維自動賠償方法：

17、 在測量時，將測量點(diǎn)和測頭半徑關(guān)系都處理成二維情況，并將半徑計算編入測量程序中，在測量時自動完成數(shù)據(jù)測頭賠償。 依據(jù)賠償時間可分為實(shí)時自動賠償和事后數(shù)據(jù)處理賠償。壓力矢測頭測頭球心軌跡物體輪廓觸點(diǎn)逆向工程教案第49頁3異常點(diǎn)（誤差點(diǎn)）處理采取人工交互檢驗(yàn)、調(diào)整方法對于截面數(shù)據(jù)，若在同一截面數(shù)據(jù)掃描中，存在一個點(diǎn)與其相鄰點(diǎn)偏距較大跳點(diǎn)，判斷方法有： （1）直觀檢驗(yàn)法屏幕上直接剔除； （2）曲線檢驗(yàn)法依據(jù)點(diǎn)到擬合曲線（過首末點(diǎn)）距離是否超出所給定允差； （3）弦高差方法依據(jù)點(diǎn)到弦（過檢驗(yàn)點(diǎn)前后兩點(diǎn)）距離是否超差；逆向工程教案第50頁4數(shù)據(jù)拼合三點(diǎn)拼合標(biāo)識球法逆向工程教案第51頁數(shù)據(jù)拼合三點(diǎn)拼合MA

18、RK點(diǎn)法逆向工程教案第52頁數(shù)據(jù)拼合最臨近點(diǎn)迭代(ICP) 法初始對正確定兩點(diǎn)云數(shù)據(jù)重合區(qū)域ICP逆向工程教案第53頁數(shù)據(jù)拼合實(shí)例逆向工程教案第54頁5數(shù)據(jù)平滑目標(biāo)：消除噪聲，以得到準(zhǔn)確模型和好特征提取效果。采取平滑法處理方法，應(yīng)力爭保持待求參數(shù)所能提供信息不變。有平均法、五點(diǎn)三次平滑法和樣條函數(shù)法。逆向工程教案第55頁6數(shù)據(jù)處理流程逆向工程教案第56頁2.3 數(shù)據(jù)測量與處理實(shí)例例：汽車覆蓋件點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理（900,000個點(diǎn)）原始數(shù)據(jù)：體外點(diǎn)，噪聲點(diǎn)逆向工程教案第57頁刪除體外點(diǎn)逆向工程教案第58頁刪除噪聲點(diǎn)逆向工程教案第59頁消除體外點(diǎn)及噪聲點(diǎn)后點(diǎn)云逆向工程教案第60頁效果比較逆向工程教案第

19、61頁數(shù)據(jù)精簡：150,000逆向工程教案第62頁第3章 三維CAD模型重構(gòu)3.1 曲面重構(gòu)方法3.2 曲面模型重構(gòu)工作流3.3 曲面重構(gòu)實(shí)例 逆向工程教案第63頁分類：（1）按數(shù)據(jù)類型分：有序點(diǎn)和散亂點(diǎn)重建；（2）按測量機(jī)類型分：基于CMM、激光點(diǎn)云、CT 數(shù)據(jù)和光學(xué)測量數(shù)據(jù)；（3）按造型方式分：基于曲線模型重建和基于曲面直接擬合；（4）按曲面表示分：邊界表示、四邊B-樣條表示、三角面片(B-樣條、Bezier)和三角網(wǎng)格（平面）表示模型重建3.1 曲面重構(gòu)方法逆向工程教案第64頁3.1 曲面重構(gòu)方法當(dāng)前，在反求工程中主要有3種曲面重構(gòu)方法：以Nurbs曲線為基礎(chǔ)曲面重構(gòu)方法；以三角Bezi

20、er曲面為基礎(chǔ)曲面重構(gòu)方法；以多面體方式描述曲面產(chǎn)品。三維重構(gòu)時必須考慮以下2個關(guān)鍵問題：一是怎樣用比較簡單幾何元素對模型進(jìn)行表示；二是怎樣找到原始設(shè)計者造型思緒或痕跡，并以類似（最好是相同）幾何元素來構(gòu)建CAD模型。逆向工程教案第65頁B 樣條及NURBS 曲面表示是當(dāng)前成熟商品化CAD/CAM系統(tǒng)中廣泛采取曲面表示方法,這類曲面能夠應(yīng)用四邊參數(shù)曲面片插值、拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣( Lofting) 或蒙皮( Skining) 、掃掠( Sweeping) 、混合(Blend)和四邊界方法(Boundaries) 結(jié)構(gòu), 也稱矩形域參數(shù)曲面獲四邊曲面, 以此為基礎(chǔ), 已形成一套完整曲面延伸、求交、

21、裁剪、變換、光滑拼接及曲面光順等算法。逆向工程教案第66頁1、插值(Interpolation) 給定一組有序數(shù)據(jù)點(diǎn)Pi (i=0, 1, , n)， 結(jié)構(gòu)一條曲線次序經(jīng)過這些數(shù)據(jù)點(diǎn)，稱為對這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值(Interpolation)，所結(jié)構(gòu)曲線稱為插值曲線，所結(jié)構(gòu)曲面稱為插值曲面。1）優(yōu)點(diǎn)與測量點(diǎn)誤差為零2）測量點(diǎn)過多時，控制困難3）測量有誤差時，光順性差逆向工程教案第67頁2、拉伸( Extrusion) 使選定曲線端點(diǎn)延伸到指定點(diǎn)（屏幕、曲線、曲面），或使選定曲線端點(diǎn)延伸指定長度。逆向工程教案第68頁3、旋轉(zhuǎn)( Revolving) 使選定界面曲線繞一軸線旋轉(zhuǎn)一定角度所形成曲面。4、

22、 放樣( Lofting) 或蒙皮( Skining)5、掃掠( Sweeping)6、 混合(Blend)7、四邊界逆向工程教案第69頁3.2 曲面模型重構(gòu)工作流程逆向工程教案第70頁逆向工程教案第71頁逆向工程教案第72頁逆向工程教案第73頁逆向工程教案第74頁逆向工程教案第75頁逆向工程教案第76頁逆向工程教案第77頁逆向工程教案第78頁逆向工程教案第79頁逆向工程教案第80頁逆向工程教案第81頁逆向工程教案第82頁逆向工程教案第83頁逆向工程教案第84頁逆向工程教案第85頁分 類 逆向工程教案第86頁逆向工程教案第87頁逆向工程教案第88頁逆向工程教案第89頁逆向工程教案第90頁逆向工

23、程教案第91頁第5章 快速成型技術(shù)數(shù)據(jù)處理5.1 概述5.2 快速成型數(shù)據(jù)起源5.3 快速成型數(shù)據(jù)接口5.4 快速成型軟件分層數(shù)據(jù)處理 5.5 數(shù)據(jù)處理實(shí)例 逆向工程教案第92頁5.1 概述 快速成型是從零件CAD模型或其它數(shù)據(jù)模型出發(fā)，分層處理軟件將三維數(shù)據(jù)模型離散成截面數(shù)據(jù)，輸送到快速成型系統(tǒng)成型過程，其數(shù)據(jù)處理流程為 逆向工程教案第93頁RP數(shù)據(jù)處理過程 逆向工程教案第94頁5.2.1 RP技術(shù)中數(shù)據(jù)起源1）三維CAD模型2）逆向工程數(shù)據(jù)3）數(shù)學(xué)幾何數(shù)據(jù)4）醫(yī)學(xué)/體素數(shù)據(jù)5）分層數(shù)據(jù)（2D-CAD數(shù)據(jù)）5.2 快速成型數(shù)據(jù)起源及 數(shù)據(jù)接口格式逆向工程教案第95頁1）三維面片模型格式（如S

24、TL、CFL格式）、2）CAD三維數(shù)據(jù)格式(如IGES、DXF、STEP格式)、3）二維層片數(shù)據(jù)格式（如CLI、SLC格式）。 5.2.2 數(shù)據(jù)接口格式逆向工程教案第96頁三維面片模型文件STL 是經(jīng)過對CAD實(shí)體模型或曲面模型進(jìn)行表面三角形離散化得到，從幾何上看，是由小三角形面片組成三維多面體模型。逆向工程教案第97頁STL文件 STL文件是一個由小三角形面片集合。從幾何上看，每一個三角形面片用三個頂點(diǎn)表示。每個頂點(diǎn)由其坐標(biāo)(X,Y,Z)表示。因?yàn)楸仨氈该鞑牧习诿嫫且贿?，所以每個三角形面片還必須有一個法向，用(Xn,Yn,Zn)表示。逆向工程教案第98頁STL文件格式優(yōu)點(diǎn)主要有：1)數(shù)

25、據(jù)格式簡單，分層處理方便，與詳細(xì)CAD系統(tǒng)無關(guān)。2)對原CAD模型近似度高。標(biāo)準(zhǔn)上，只要三角形數(shù)目足夠多，STL文件就能夠滿足任意精度要求。3)含有三維幾何信息，而且是用面片表示，可直接作為有限元分析網(wǎng)格。4)為幾乎全部RP設(shè)備所接收，已成為大家默認(rèn)RP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。 逆向工程教案第99頁STL文件格式缺點(diǎn)主要有:1.模型精度損失(近似描述、坐標(biāo)精度損失)；2.不含CAD拓?fù)潢P(guān)系，材料等屬性信息；3.文件數(shù)據(jù)量大，冗余量大； 4.易產(chǎn)生重合面、孔洞、法向量和交叉面等錯誤及缺點(diǎn)。逆向工程教案第100頁5.2.3 STL文件格式Solid零件名 facet normal nx,ny,nz oute

26、r loop vertex V1x,V1y,V1z vertex V2x,V2y,V2z vertex V3x,V3y,V3z endloop endfacet Endsolid零件名逆向工程教案第101頁STL文件有兩種輸出格式 ASCII碼和二進(jìn)制碼。 ASCII碼輸出格式以下： facet normal 0.000000e+00 0.000000e+00 1.000000e+00 outer loop vertex 2.029000e+00 1.628000e+00 9.109999e-0.1 vertex 2.229000e+00 1.628000e+00 9.109999e-0.1

27、vertex 2.229000e+00 1.67e+00 9.109999e-0.1 endloop endfacet逆向工程教案第102頁 二進(jìn)制格式文件所占用空間比ASCII碼格式小得多，約1/6 不過ASCII碼格式能夠閱讀并能進(jìn)行直觀檢驗(yàn)。逆向工程教案第103頁 普通情況下，三角形個數(shù)與該模型近似程度親密相關(guān)。三角形數(shù)量越多，近似程度越好，精度越高；三角形數(shù)量越少，則近似程度越差。用同一CAD模型生成兩個不一樣STL文件，精度高者可能要包含多達(dá)10萬個三角形面片，文件達(dá)數(shù)兆，而精度低者可能只用幾百個三角形面片，這對后續(xù)處理時間和難度影響很大。逆向工程教案第104頁正確STL文件應(yīng)滿足以

28、下條件：1、全部法向均正確；2、全部三角形面片連接符合點(diǎn)對點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，即每一條邊均與且只與兩個面相接；3、每個點(diǎn)由一組單循環(huán)邊和面所圍繞。逆向工程教案第105頁一邊共多面 空間相交 法向錯誤 逆向工程教案第106頁 STL文件錯誤分析1、法向錯誤，相鄰三角形法向矛盾，造成份層時截面輪廓不封閉；2、裂縫或空洞，曲面拚接時造成面片丟失或空洞，違反點(diǎn)對點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)。在成形時會造成掃描填充無須要地方而影響成形件表明質(zhì)量；3、三角形一個點(diǎn)落在另一三角形邊上，違反點(diǎn)對點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)；4、同法向面片重合，造成掃描線重合；逆向工程教案第107頁5、反法向面片重合，造成兩面所圍成體積為零，結(jié)果將連成一體零件分為兩部分；6、非正則

29、情況，一條邊由三個面或更多面共有。當(dāng)面片數(shù)為奇數(shù)時必定存在懸面；7、不正確相交和自相交。 當(dāng)文件不是原始CAD模型時，必須直接對STL文件進(jìn)行檢驗(yàn)和修改，確保分層正確。逆向工程教案第108頁5.3 快速成型軟件分層數(shù)據(jù)處理 RP分層數(shù)據(jù)處理包含三個主要部分：STL文件處理、層片文件處理和工藝處理。其中STL文件處理和層片文件處理部分主要考慮離散/堆積過程中離散過程，它們將各種三維幾何實(shí)體或表面模型，以及醫(yī)學(xué)CT、MRI二維層面轉(zhuǎn)化為RP設(shè)備所能接收分層格式并作對應(yīng)處理。工藝處理與詳細(xì)RP工藝、材料及對應(yīng)零件（原型）后處理過程親密相關(guān) 逆向工程教案第109頁5.3.1 STL文件檢驗(yàn)與修復(fù)快速成

30、型制造中常見STL錯誤 1）間隙（或稱裂紋，空洞），這主要因?yàn)槿敲嫫瑏G失引發(fā)。當(dāng)CAD模型表面有較大曲率曲面相交時，在曲面相交部分會出現(xiàn)丟失三角形面片而造成空洞。2）法向量錯誤。3）頂點(diǎn)錯誤，即三角形頂點(diǎn)落在另一三角形某條邊，使得兩個三角形共用一條邊，違反了STL文件共點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)。4）重合和分離錯誤。重合和分離錯誤主要是有三角形頂點(diǎn)計算時舍入誤差造成，在STL文件中，頂點(diǎn)坐標(biāo)是單精度浮點(diǎn)型，假如圓整誤差范圍較大，就會造成面片重合或分離。5）面片退化。面片退化是指小三角型面片三條邊共線。這種錯誤經(jīng)常發(fā)生在曲率猛烈改變兩相交曲面相交線附近，這主要是因?yàn)镃AD軟件三角網(wǎng)格化算法不完善造成。6）拓?fù)湫畔?/p>

31、紊亂。逆向工程教案第110頁 STL 文件出現(xiàn)許多問題往往起源于CAD 模型中存在一些問題，對于一些較大問題（如大空洞、多面片缺失、較大體自交），最好返回CAD 系統(tǒng)處理。一些較小問題，快速成型數(shù)據(jù)處理軟件提供自動修復(fù)功效，不用回到CAD 系統(tǒng)重新輸出，這么可節(jié)約時間，提升工作效率。 逆向工程教案第111頁 當(dāng)前，已經(jīng)有各種用于觀察和修改STL格式文件專用軟件，如 Aurora軟件 Rapid Prototyping Module軟件 Rapid Editor軟件 Magics軟件 這些軟件提供了強(qiáng)大編輯、修復(fù)功效，能完善處理STL文件。逆向工程教案第112頁Aurora軟件Aurora是專業(yè)

32、快速成型(簡稱RP)數(shù)據(jù)處理軟件,它接收STL模型,進(jìn)行分層等處理后輸出CLI格式標(biāo)準(zhǔn)文件,可供各種工藝快速成型系統(tǒng)應(yīng)用.Aurora軟件功效能夠非常完備,處理STL文件方便、迅捷、準(zhǔn)確,應(yīng)用尤其簡單,能夠有效地提升RP加工效率. 逆向工程教案第113頁Aurora數(shù)據(jù)處理軟件功效（1）輸入輸出： STL 文件（二進(jìn)制和ASCII），CSM 文件（壓縮STL 格式，壓縮率為三），CLI（二進(jìn)制和ASCII）。(2) 三維模型顯示：逆向工程教案第114頁（3）校驗(yàn)和修復(fù)： 自動對STL 模型進(jìn)行修復(fù)，用戶無需交互參加；同時提供手動編輯功效逆向工程教案第115頁（4）成形準(zhǔn)備功效： 用戶可對STL

33、 模型進(jìn)行變形（旋轉(zhuǎn)，平移，鏡像等），分解，合并，切割等幾何操作；自動排樣（二維，三維）可將多個零件快速放在工作平臺上或成形空間內(nèi)，提升快速成形系統(tǒng)效率。逆向工程教案第116頁（5）自動支撐功效：依據(jù)支撐角度，支撐結(jié)構(gòu)等幾個參數(shù)，Aurora 自動創(chuàng)建工藝支撐。（6）分層功效： 可將STL 文件分層，能輸出不一樣工藝層片文件，容錯性能好，對STL 模型上裂縫，空洞等錯誤能自動修復(fù)。逆向工程教案第117頁5.3.2 工藝處理 1零件分割拼合 當(dāng)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成型支撐無法去除或大型零件尺寸超出成型機(jī)工作范圍，需對零件進(jìn)行分割與拼合。在快速成型之前，首先要將零件CAD模型分割成若干子塊，并依據(jù)零件幾

34、何特征和組合特點(diǎn)，結(jié)合成型機(jī)工作范圍，確定子塊分割數(shù)目，整體上進(jìn)行分塊布局。 逆向工程教案第118頁 汽車密封條三維模型分割 逆向工程教案第119頁電視機(jī)前面板制作 逆向工程教案第120頁2添加支撐 RP工藝中所用支撐相當(dāng)于傳統(tǒng)加工中夾具，起固定零件作用。當(dāng)上層截面大于下層截面時，上層截面多出部分因?yàn)闊o材料支撐將會出現(xiàn)懸浮(或懸空)，從而使多出截面部分發(fā)生塌陷或變形甚至使零件不能成型。 有些成型工藝中支撐是生產(chǎn)過程中自然產(chǎn)生 。分層實(shí)體制造( LOM ) 中切碎紙、三維印刷(3DP) 中未粘結(jié)粉末、選擇性激光燒結(jié) ( SLS) 中未燒結(jié)材料都成為上一層支撐 。對于熔融堆積成型( FDM) 和光

35、固化成型( SLA) 必須人工加支撐或經(jīng)過軟件自動加支撐 逆向工程教案第121頁支 撐 逆向工程教案第122頁 支撐按其作用不一樣分為基底支撐和對零件原型支撐，基底支撐是加于工作臺之上，形狀為包絡(luò)零件原型在XOY平面上投影區(qū)域矩形 基底支撐作用1）便于零件從工作臺上取出。 2) 確保預(yù)成型零件原型處于水平位置，消除工作臺平面度所引發(fā)誤差。 3) 有利于減小或消除翹曲變形。逆向工程教案第123頁支撐添加需考慮以下原因： 1）支撐強(qiáng)度和穩(wěn)定性確保本身和上面原型不會變形或偏移 ；2）支撐加工時間 成形時間短，節(jié)約成型材料3）支撐可去除性 降低對原型表面質(zhì)量損害，方便后處理逆向工程教案第124頁支撐逆

36、向工程教案第125頁3成型方向 在快速成型制造中，STL模型定向決定了成型方向，即成型時每層疊加方向，它是影響原型制作精度、制作時間、制作成本、原型強(qiáng)度以及制作過程中所需支撐多少主要原因 。在成型時首先要選擇一個優(yōu)化分層方向(成型方向)。逆向工程教案第126頁 RP技術(shù)是一個離散/堆積分層制造技術(shù)，零件定向和擺放對零件成形過程正常進(jìn)行，成形精度和表面質(zhì)量，加工時間以及支撐添加等都有較大影響。在工藝處理時，必須依據(jù)成型零件詳細(xì)要求綜合考慮。假如制作原形件主要目標(biāo)是為了進(jìn)行外觀評價，那么選擇成型方向時則應(yīng)把確保原型表面質(zhì)量放在首要位置來考慮；假如制作原型目標(biāo)是為了裝配檢驗(yàn)，則應(yīng)首要考慮是裝配結(jié)構(gòu)成型精度，至于表面質(zhì)量則可經(jīng)