逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用 第3版 課件 陳雪芳 項目一 逆向工程技術(shù)認識；項目二 三維數(shù)據(jù)掃描

逆向工程與快速成型

技術(shù)應(yīng)用2課程介紹該課程是偏機類專業(yè)的一門拓展課，是面向從事產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)人員崗位的職業(yè)技術(shù)技能學(xué)習(xí)課程。為學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計、利用先進手段開展機械設(shè)計和制造打下良好的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)要求：掌握逆向工程和快速成型的基本理論，具備使用三維測量設(shè)備進行數(shù)據(jù)測量的技能，應(yīng)用Geomagic軟件進行數(shù)據(jù)處理技能，利用快速成型設(shè)備進行產(chǎn)品制作的技能主要內(nèi)容：項目一逆向工程技術(shù)認知——逆向工程技術(shù)內(nèi)涵和應(yīng)用領(lǐng)域項目二

三維數(shù)據(jù)掃描——數(shù)據(jù)采集方法及掃描案例項目三

數(shù)據(jù)處理及數(shù)模重構(gòu)——Geomagic軟件中數(shù)據(jù)處理及數(shù)模重構(gòu)的方法項目四

快速成型技術(shù)認知——快速成型技術(shù)內(nèi)涵、成型工藝及應(yīng)用項目五原型的制作——快速成型的前處理及典型工藝的原型制作逆向工程快速成型內(nèi)容選取

模擬工作環(huán)境，按照產(chǎn)品逆向設(shè)計與快速制造流程，用合理的數(shù)據(jù)掃描設(shè)備，采集產(chǎn)品數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)模重構(gòu)，用合理的快速成型工藝，快速制造出新產(chǎn)品。產(chǎn)品快速成型產(chǎn)品模型重構(gòu)產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品數(shù)據(jù)掃描產(chǎn)品逆向設(shè)計與快速制造產(chǎn)品新產(chǎn)品課程考核以過程考核為主，理論考查+實操考核。評分標準：（1）平時（課堂表現(xiàn)、課堂發(fā)言、課堂參與、出勤）15%（2）實驗（實驗參與、實驗報告、實驗結(jié)果）45%，（3）書面理論考查40%6市場環(huán)境的變化

——企業(yè)競爭加劇，產(chǎn)品市場壽命縮短設(shè)計環(huán)境的變化

——開發(fā)新產(chǎn)品成功率要高，而設(shè)計周期要短制造環(huán)境的變化

——多品種、小批量（大規(guī)模的定制化）呼喚產(chǎn)品快速開發(fā)技術(shù)！

產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境的變化7

設(shè)計

樣機

生產(chǎn)工程需求圖檔工業(yè)設(shè)計？樣品？試驗如何快速制造？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)！任務(wù)一初識逆向工程任務(wù)二再識逆向工程任務(wù)三了解逆向工程應(yīng)用項目一逆向工程技術(shù)認知9掌握逆向工程技術(shù)的概念和工作流程，理解逆向工程技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)及實施的軟硬件條件，了解逆向工程技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用方法。能力目標知識要點了解逆向工程技術(shù)的基本概念逆向工程、正向設(shè)計了解逆向工程的流程逆向工程技術(shù)工作流程了解逆向工程的應(yīng)用和意義逆向工程的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)W習(xí)目標學(xué)習(xí)要求傳統(tǒng)正向設(shè)計方法－過程No需求分析詳細設(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（實物）的演化過程任務(wù)一初始逆向工程傳統(tǒng)正向設(shè)計方法－表達設(shè)計信息可用參數(shù)精確描述12我國引進的產(chǎn)品如何深入研究、消化、吸收這些先進技術(shù)，探索引進產(chǎn)品中的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上改進、創(chuàng)新、開發(fā)出符合我國國情的先進產(chǎn)品，形成自己的技術(shù)體系。

逆向工程技術(shù)產(chǎn)生的背景背景之一13復(fù)雜產(chǎn)品（如飛機、汽車等主模型）型面構(gòu)成復(fù)雜，現(xiàn)階段必須制造出實物原型，在實物原型的基礎(chǔ)上開展開發(fā)。

逆向工程技術(shù)產(chǎn)生的背景背景之二概念設(shè)計效果圖油泥模型風(fēng)洞試驗修改模型定型數(shù)字化測量模型重構(gòu)制造模型符合空氣動力學(xué)性能的流線性14逆向工程（ReverseEngineering，簡稱RE）是將實物模型轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的相關(guān)數(shù)字化測量技術(shù)、幾何模型重構(gòu)技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。逆向工程的定義15概念設(shè)計汽車儀表板開發(fā)流程16效果圖汽車儀表板開發(fā)流程17油泥模汽車儀表板開發(fā)流程18測量汽車儀表板開發(fā)流程19點云數(shù)據(jù)汽車儀表板開發(fā)流程20CAD模型汽車儀表板開發(fā)流程21

最終產(chǎn)品汽車儀表板開發(fā)流程23任務(wù)二再識逆向工程——工作流程24數(shù)據(jù)測量——是指通過特定的測量方法和設(shè)備，將物體表面形狀轉(zhuǎn)換成幾何空間坐標點，從而得到逆向建模以及尺寸評價所需數(shù)據(jù)的過程。數(shù)據(jù)測量是逆向工程的第一步，也是后續(xù)工作的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)處理——包括了雜點的刪除、多視覺數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)簡化、數(shù)據(jù)補缺、數(shù)據(jù)平滑等。模型重構(gòu)——根據(jù)實物樣件的特征重構(gòu)出三維模型的過程。兩種重構(gòu)方法：對于精度要求較低、形面復(fù)雜的如玩具、藝術(shù)品等的逆向設(shè)計，常采用基于三角面片直接建模；對于精度要求較高的，形面復(fù)雜產(chǎn)品的逆向開發(fā)，常采用擬合NURBS或參數(shù)曲面建模的方法。任務(wù)二再識逆向工程——實施的條件硬件條件軟件條件1）專用的逆向軟件：Imageware、GeomagicStudio等

2）基于正向的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)軟件：CATIA、UG、Pro-E三維掃描設(shè)備產(chǎn)品制造設(shè)備——切削加工設(shè)備、快速成型設(shè)備26涉及到的主要技術(shù)：數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、模型重構(gòu)技術(shù)27

當(dāng)設(shè)計無法直接在設(shè)計軟件中準確表示，或需要通過實驗測試才能定型的工件模型（比如航天航空、汽車等領(lǐng)域），通常首先做成油泥、木模或泡沫塑料做成產(chǎn)品的比例模型，模型用逆向工程技術(shù)將其轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的三維CAD模型及其模具。新產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用(1)任務(wù)三了解逆向過程的應(yīng)用28產(chǎn)品的仿制和改型設(shè)計

應(yīng)用(2)29模具快速制造應(yīng)用領(lǐng)域破損模具的制成控制與快速修補(3)30模具快速制造應(yīng)用(3)模具測量重構(gòu)模型31應(yīng)用于產(chǎn)品檢測應(yīng)用(4)32顱骨修補醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用(5)

利用CT、MRI數(shù)據(jù)，利用逆向工程技術(shù)將斷層掃描信息轉(zhuǎn)換為三維數(shù)字模型，為醫(yī)學(xué)教學(xué)、手術(shù)輔助提供數(shù)據(jù)參考，與快速成型結(jié)合，定制組織器官、骨架等模型。33特種服裝、頭盔的制造要以使用者的身體為原始設(shè)計依據(jù)，此時，需首先建立人體的幾何模型。服裝、頭盔、鞋子設(shè)計等應(yīng)用(6)3435逆向工程也廣泛用于修復(fù)破損的文物、藝術(shù)品，或缺乏供應(yīng)的損壞零件等。此時，不需要復(fù)制整個零件，只是借助逆向工程技術(shù)抽取原來零件的設(shè)計思想，用于指導(dǎo)新的設(shè)計。藝術(shù)品文物復(fù)制，博物館藏品、古建筑的數(shù)字化應(yīng)用(7）36影視動畫角色、場景、道具等三維虛擬物體的設(shè)計和創(chuàng)作制造應(yīng)用(8）動漫&游戲?qū)⑺囆g(shù)家的概念模型做成三維數(shù)據(jù)模型，以用于電腦游戲和電影動畫的制作．37

逆向工程是將實物樣件或手工模型轉(zhuǎn)化為數(shù)模，包含了數(shù)據(jù)掃描、數(shù)據(jù)處理與數(shù)模重構(gòu)、模型制造幾個階段。逆向工程技術(shù)應(yīng)用的重大意義在于：逆向工程不是簡單地把原有物體還原，它還要在還原的基礎(chǔ)上進行二次創(chuàng)新。逆向工程作為一種新的創(chuàng)新技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，并取得了重大的經(jīng)濟和社會效益。小結(jié)38思考題思考題1-1何謂逆向工程？與傳統(tǒng)的正向設(shè)計相比有何區(qū)別聯(lián)系？1-2簡述逆向工程的主要技術(shù)工作流程和應(yīng)用意義。課外任務(wù)1-3上網(wǎng)查閱相關(guān)資料，以某一產(chǎn)品開發(fā)為例，闡述逆向設(shè)計的流程，并完成項目報告。三維數(shù)據(jù)掃描項目二了解逆向工程數(shù)據(jù)掃描系統(tǒng)的分類及相應(yīng)的測量原理，掌握接觸式測量與非接觸式測量的不同技術(shù)特點。通過三個不同的數(shù)據(jù)掃描案例，了解三維數(shù)據(jù)掃描的流程及方法。能力目標知識要點了解逆向工程數(shù)據(jù)掃描方法及種類數(shù)據(jù)掃描方法及分類掌握接觸式測量與非接觸測量技術(shù)特點接觸式測量和非接觸測量了解數(shù)據(jù)掃描的流程掃描前處理、掃描規(guī)劃、掃描了解掃描儀使用的基本方法及技巧三種非接觸光學(xué)掃描設(shè)備基本操作學(xué)習(xí)目標主要內(nèi)容任務(wù)一了解三維數(shù)據(jù)掃描任務(wù)二儲蓄罐外形測量任務(wù)三車燈燈罩外形測量任務(wù)四風(fēng)扇外形測量表面數(shù)據(jù)測量非接觸式接觸式光學(xué)式非光學(xué)式觸發(fā)式機械手臂三角形法結(jié)構(gòu)光法激光干涉法計算機視圖法

CT測量法MRI測量法層切法超聲波法一、數(shù)據(jù)獲取方法的分類任務(wù)一了解三維數(shù)據(jù)掃描接觸測量，點測量精度幾個μm測量速度慢二、接觸式數(shù)據(jù)掃描——三坐標測量機CMM

接觸式測量特點測量精度高與被測物體表面的顏色、外形無關(guān)，對光強無要求可直接測量特征尺寸測量速度慢適用于硬質(zhì)表面，軟質(zhì)表面易變形球頭半徑補償測量時需要固定和定位基準非接觸測量，線測量精度幾十個μm測量速度較快三、非接觸式光學(xué)掃描——激光掃描測量三、非接觸式光學(xué)掃描——結(jié)構(gòu)光掃描測量采用的照相式三維掃描技術(shù)。利用相位和立體視覺技術(shù)的結(jié)合，在物體表面投射光柵。利用相位和外極線實現(xiàn)兩幅圖像上的點的匹配，利用定標了的攝像機系統(tǒng)，計算點在三維空間坐標，以實現(xiàn)物體表面三維輪廓的測量。以德國Gom公司為代表的Atos三維光學(xué)掃描儀是基于雙目式光柵投影測量技術(shù)的設(shè)備。國外稱為whitelightscanner,白光3D掃描儀非接觸掃描儀—結(jié)構(gòu)光三維掃描儀

（北京天遠上海數(shù)造機電蘇州西博）北京天遠OKIO-I/II/V3DSSLED白光掃描儀3DSS藍光掃描儀XTOM型三維光學(xué)面掃描儀

三、非接觸式光學(xué)掃描——特點

(1)測量速度快，不必逐點測量，測量面積大，數(shù)據(jù)較為完整。

(2)可以直接測量材質(zhì)較軟以及不適合直接接觸測量的物體，如橡膠、紙制品、工藝品、文物等。（3）須進行測頭半徑補償。

(4）對零件表面的反光程度、顏色等有較高要求，工件表面的明暗程度會影響測量的精度。

(5)測量精度一般，特別是相對于接觸式測頭測量數(shù)據(jù)而言。

(6)對于一些細節(jié)位置，如邊界、縫隙、曲率變化較大的曲面容易丟失數(shù)據(jù)。

(7)陡峭面不易測量，激光無法照射到的地方便無法測量。三、非接觸式非光學(xué)掃描——斷層掃描可以測量物體表面、內(nèi)部和隱藏結(jié)構(gòu)特征

破壞性測量——層去掃描法非破壞性測量——CT測量法——MRI測量法

——超聲波測量法結(jié)構(gòu)光、激光掃描儀和三坐標測量機比較

結(jié)構(gòu)光（白光）激光掃描儀三坐標測量機系統(tǒng)體積小一般大系統(tǒng)重量輕、方便移動一般、可移動重、不可移動掃描方式面點、線點測量精度高較高高測量范圍大一般小測量時間小于5秒10分鐘--數(shù)小時數(shù)小時--數(shù)天安裝設(shè)置簡單一般需調(diào)試維護難度容易一般難、嚴格工作環(huán)境不嚴格一般嚴格適用范圍所有物體廠家不同而不同硬物體的測量掃描精度應(yīng)滿足實際的需要；掃描速度快，盡量減少測量在整個逆向過程中所占有的時間；數(shù)據(jù)掃描要完整，以減少數(shù)模重構(gòu)由于數(shù)據(jù)缺失帶來的誤差；數(shù)據(jù)掃描過程中不能破壞原型；降低數(shù)據(jù)掃描成本。數(shù)據(jù)掃描滿足以下要求：對自由曲面形狀物體的數(shù)據(jù)掃描一般用非接觸光學(xué)測量的方法，對規(guī)則形狀物體的數(shù)據(jù)掃描一般用接觸式測量。非接觸光學(xué)掃描的前處理

表面處理

（1）噴亞光漆、白色顯像劑：黑色銹蝕表面、透明表面、反光面（2）清洗：工件表面的灰塵、鐵屑等更會帶來測量數(shù)據(jù)的噪聲，造成點云數(shù)據(jù)不佳。

非接觸光學(xué)掃描的前處理

貼標記點或標識點

(1)對于一些大型物體（比如汽車覆蓋件），或者需要多幅測量進行拼接時，需要根據(jù)視角在物體的表面貼上一些標記點。

(2)標記點用來協(xié)助坐標轉(zhuǎn)換的，是多視覺注冊拼合的特征點。(3)標記點可以是掃描物體本身的特征點、可以用筆畫在紙上的標記、或用橡皮泥捏成的標記點。如果自動拼合，標記點是一個個黑白的專用標記點掃描規(guī)劃精確掃描——對曲率變化大的地方數(shù)據(jù)盡量采集完整；高效掃描——數(shù)據(jù)掃描的次數(shù)少、數(shù)據(jù)量盡量小、縮短掃描時間。任務(wù)二儲蓄罐外形測量任務(wù)分析

儲蓄罐造型為一卡通龍形狀，細節(jié)特征多且不規(guī)則，較好的掃描方法應(yīng)選非接觸式的，儲蓄罐造型只需處理外形數(shù)據(jù)后抽殼即可?？履峥滥苓_三維掃描儀VIVID９10i

ＲＡＮＧＥ7VIVID９10

儲蓄罐形如卡通龍，在表面有足夠明顯的細節(jié)特征，這些特征作為多視覺數(shù)據(jù)掃描拼合時的標記點已足夠，所以不需再加標記點。但表面金色反光，所以噴上白色的顯像劑。儲蓄罐掃描前處理按圖所示的姿態(tài)，從上往下掃描時，脖子里及招財牌子下面的數(shù)據(jù)都掃不到，先掃一圈，然后再倒過或橫過來掃描脖子和牌子下面的數(shù)據(jù)，最后再掃描頭頂和腳底。在掃描頭頂和腳底時，要把側(cè)面的特征也帶上，便于數(shù)據(jù)的拼合。儲蓄罐掃描規(guī)劃任務(wù)三車燈外形測量任務(wù)分析車燈燈罩形狀，由幾個大的流線曲面組成，且內(nèi)外特征不同，需要掃描內(nèi)、外兩面，細節(jié)過渡特征不明顯，最好能夠自動拼接，為此通過貼專用的標記點，自動拼合。

優(yōu)勢：連續(xù)掃描、自動拼接，實時渲染、操作簡單，小巧玲瓏、便于攜帶（0.98KG)技術(shù)參數(shù)重量

0.98kg(2.1磅)尺寸

160x260x210mm(6.2x10.2x8.2英寸)測量速度

18,000點/秒激光等級II(眼睛安全)XY軸精度高達0.05mm(高達0.002英寸)Z軸精度

0.1mm(0.004英寸)數(shù)據(jù)接口

Firewire電源接口

Firewire車燈掃描前處理1）表面銀色反光，所以噴上白色的顯像劑。2）自動拼合，所以需要在貼專用的標記點貼標記點合適的標記