第六章逆向工程课件.ppt
《第六章逆向工程课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第六章逆向工程课件.ppt(176页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、第六章 逆向工程与快速原型,6.1 逆向工程概述6.2 逆向工程系统组成及工作原理6.3 逆向工程应用实例6.4 快速原型与快速模具本章小结,6.1 逆向工程概述1.正向工程一般工业产品的开发是从确定预期功能与规格目标构思产品结构进行每个零部件的设计制造检验装配性能测试等程序完成整个开发过程,每个零部件都有设计图纸,按确定的工艺文件加工。这种开发模式称为预定模式(Prescriptive Model),此类开发工作称为正向工程(Forward Engineering)或正向设计。产品正向开发的流程如图6-1所示。,图6-1 正向工程开发流程图,2.逆向工程随着计算机和网络技术的发展,信息高速公
2、路加快了科技信息的传播速度,产品的生命周期越来越短,人们追求完美与个性化的消费需求使产品品种越来越多,批量越来越小,企业间的竞争不再只是质量与成本上的竞争,而更重要的是时间的竞争。以已有产品为基准点进行设计已经成为当今的一条设计理念。如何博采众家之长,充分吸收和利用先进的设计制造成果,使产品设计立足于更高的起点,是世界各国都十分关注的问题。逆向工程技术在此背景下受到人们的关注。,逆向工程,也称为反求工程,英文是reverse engineering 逆向技术包括影像逆向、软件逆向及实物逆向等三方面。目前相对最多人研究的是实物逆向技术。它是研究实物CAD模型的重建和最终产品的制造。狭义来说,三维
3、逆向技术是将实物模型数据化成设计、概念模型,并在此基础上对产品进行分析、修改及优化等技术。,(1)实物逆向:它是在已有产品实物的条件下,通过测绘和分析,从而再创造;其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质等多方面的逆向。实物逆向的对象可以是整机、零部件和组件。(2)软件逆向:产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件逆向有三类:既有实物,又有全套技术软件;只有实物而无技术软件;没有实物,仅有全套或部分技术软件。(3)影像逆向:设计者既无产品实物,也无技术软件,仅有产品的图片、广告介绍或参观后的印象等,设计者要通过这些影像资料去
4、构思、设计产品,该种逆向称为影像逆向。目前,国内外有关逆向工程的研究主要集中在几何形状的逆向,即重建产品实物的CAD,称为“实物逆向工程”。,逆向工程通常是对某一实物样件或模型(称为零件原型,如汽车的外形、鞋楦模等)进行仿制和创新。目前,针对已有样件(尤其是包含有复杂不规则自由曲面的样件),可利用三维数字化测量仪器准确、快速地测量出产品外形数据,在逆向软件中构建曲面模型,再输入CAD/CAM系统作进一步编辑、修改,由CAM生成刀具NC代码(加工路径),送至数控机床(CNC)制作所需模具,或者由快速成型机(RP)将样品模型制作出来。其流程如图6-2所示。,逆向工程主要包括以下四个步骤:(1)零件
5、原型的数字化:利用三坐标测量机或激光扫描仪等测量装置获取零件原型表面各点的三维坐标值。(2)零件原型的特征识别与提取:按测量数据的几何属性进行分割,采用几何特征匹配的方法获取零件原型所具有的设计与加工特征。,(3)零件原型CAD模型的重建:将三维测量数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合,并通过各表面片的求交、裁剪和拼接,获取零件原型的CAD模型。(4)CAD模型的检验与修正:根据重构的CAD模型重新测量或加工出样品等方法,检验构建的CAD模型是否满足精度要求,对不满足要求者,重复以上的模型重建过程,直至达到零件的设计要求。,实物测量反求技术起始于用油泥模型设计汽车、摩托车外形,现已成为模具制
6、造业、玩具业、游戏业、电子业、制鞋业、医学工程等行业产品造型设计的重要工具,广泛地用于产品改进、创新设计,特别适合具有复杂曲面外形的产品。该技术极大地缩短了产品的开发周期,提高了产品精度。据国外产品设计统计,正向设计仅占40%以内,而逆向工程已占60%以上。,承 载 式 车 身,逆向工程产品开发模式 逆向设计将实现从概念设计或样机到产品完整设计信息的快速获取。(1)逆向设计 在实际的设计工程中,设计师对所设计产品的构思,往往难于直接在计算机或图纸上表达。此时首先可做成理想外形的泥模或术模,然后利用二维测量系统进行快速测量,把模型的尺寸、形状数据转化为二维CAD数据。,(2)仿真制造 在解剖和仿
7、真制造国内外先进样机或失去供货渠道的关键零件时,由于形状复杂、精度很高,很难用人工精确测绘,可先用逆工程技术对零件进行精确测量,然后输出CNC代码,即可仿制出该零件。(3)设计检验 使用逆向工程技术可以对零件进行整体测量,并将测量数据转换成CAD数据,在计算机内可以对测量数据和设计数据进行检验分析。,逆向工程设计开发系统的基本方法 逆向工程主要通过以下步骤来实现:数据采样,数据分析,数据恢复及修补,原始部件的分解,模型信息处理及CAD模型的建立,部件装配,产品功能模拟,再设计等。(1)数据采样 数据采样是逆工程的最基木的步骤,它从己有的实物获取产品数据。通常采用二维激光扫描仪,二维数字化仪,物
8、体多角度照片等数字化办法来快速、准确地获取数据。通过二维图形处理技术将采样数据以二维图形的方式显示出来,得到直观简略的产品结构外形。,(2)数据分析 分析原来物体的结构。物体结构包括物体的逻辑结构、物体的功能结构、物体包含的标准件、材料构成、物体表面的颜色分布、各个部件的几何尺寸、不同部件之间的装配方式及不同部件之问的几何尺寸约束等。为此,要建立产品几何特征识别及产品组件结构的自动识别分解或交互识别分解系统。(3)数据的恢复和修补 在采样过程中,丢失物体的某些细节是不可避免的。通过对采样数据的二维显示及结构分析,能够发现哪些数据可能被丢失因此,数据修复是逆工程的一个必不可少的步骤数据。,(4)
9、原始部件的分解 分解是将一个物体分解成若干个标准部件的过程。在分解过程中,必须区分每一部件的尺寸位置,不同部件之间的连接关系及连接方式,以及物体表面该如何分割。(5)模型信息处理及CAD模型的建立 构造物体的二维CAD模型,这个模型是最基本的创新设计模型平台。在此基本平台上,设计人员可交互构造特征线,自动识别产品,过渡圆角、尖边等特征,提供多种物体表面编辑技术,研究曲面整体变形技术,实现CAD模型动态修改。,(6)标准化部件库的建立 分析所涉及的各类产品结构的基础上,研究产品的基本组成单元,包括它们的形状尺寸,建立标准件库。有了标准件库以后,产品设计过程就可简化为将已有的物体分解至最小的单元,
10、然后用标准部件来替换这些基本单元。为了对设计进行修改,只需要在计算机虚拟环境中对物体进行重新组装。(7)产品功能模拟 在虚拟环境中对产品的各项功能进行模拟在这个过程中,可以事先建立产品评价系统,让计算机自动判断产品设计的优劣;或通过交互方式,以设计师的经验,通过观察局部细节,可以知道物体的尺寸大小是否协调,物体的表面是否光顺,以及物体外表面的颜色纹理是否满足设计的要求。,(8)再设计 逆向工程的最终目的是设计新产品,通过以上步骤获取的产品的几何数据及产品的功能、结构知识,基本上再现原有的产品,为了在此基础上设计新产品,设计人员可以在一个包含产品逆向工程及创新设计软件环境中,对原有的模型进行适当
11、的调整和修改。这些修改主要包括功能上的,布局上的,以及外形方面的修改。在修改过程中加入设计人员新的设计思想,以完成新的设计方案。,逆工程技术的评价标准(1)采样数据的完整性(2)尽可能短的设计周期(3)尽可能低的设计成本(4)标准部件的利用率(5)产品质量优良,逆向工程的应用途径:(1)尽管计算机辅助设计技术(CAD)发展迅速,各种商业软件的功能日益强大,但目前还无法满足一些复杂曲面零件的设计需要,还存在许多使用油泥或泡沫模型代替CAD设计的情况,最终需要运用逆向工程将这些实物模型转换为CAD模型。(2)外形设计师倾向使用产品的比例模型,以便于产品外形的美学评价,最终可通过运用逆向工程技术将这
12、些比例模型用数学模型表达,通过比例运算得到美观的真实尺寸的CAD模型。,(3)由于各相关学科发展水平的限制,对零件的功能和性能分析还不能完全由CAE来完成,因此往往需要通过实验来最终确定零件的形状,如在模具制造中,经常需要通过反复试冲和修改模具型面,方可得到最终符合要求的模具。若将最终符合要求的模具测量并反求出其 CAD 模型,在下次制造该模具时就可运用这一模型生成加工程序,便可大大减少修模量,提高模具生产效率,降低模具制造成本。(4)艺术品、考古文物的复制。,(5)人体中的骨头和关节等的复制及假肢制造。(6)特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据,此时,需首先建立人体的几何模型。
13、(7)在快速原型制造(RPM)中,可以方便地对快速原型制造的原型产品进行快速、准确地测量,找出产品设计的不足,进行重新设计,经过反复迭代可使产品更趋完善。,逆向工程与传统正向设计制造过程是截然不同的设计流程。在逆向工程中,按照现有的零件原型进行设计生产,零件具有的几何特征与技术要求都包含在原型中,而正向设计是根据零件最终所承担的功能以及各方面的影响因素进行从无到有的设计。因此,从概念设计出发到最终形成CAD模型的传统设计是一个确定的明晰过程,而通过对现有零件原型数字化后再形成CAD模型的逆向工程是一个推理、反复逼近的过程,具有功能导向、描述模式、系统仿造等特性。,3.逆向工程的关键技术零件的数
14、字化和计算机辅助反向建模(Computer Aided Reverse Modeling,CARM)是逆向工程的两项关键技术。零件的数字化是指通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据。CARM通过对测量数据的处理,提取建模所需的有效数据,对零件进行曲面和实体造型,以得到原型的CAD模型。逆向设计是以产品为原型,通过大量的表面数据点来重构原型的,但由于不知道原来的设计意图,反向建模过程往往是被动的,设计的自由度较小,难度也就比正向设计大得多。,一般来说,产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面,在工业领域的实际应用中,主要包括以下几个内容:(1)新零件的设计,主
15、要用于产品的改型或仿型设计。(2)已有零件的复制,再现原产品的设计意图。(3)损坏或磨损零件的还原。(4)数字化模型的检测,例如检验产品的变形分析、焊接质量等,以及进行模型的比较。逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持,它已经成为制造业信息传递的重要而简洁途径之一。,逆向工程技术实施的条件1.逆向工程技术实施的硬件条件 在逆向工程技术设计时,需要从设计对象中提取三维数据信息。检测设备的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。目前,国内厂家使用较多的有英国、意大利、德国、日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。2.逆向工程技术实施的软件条件 目前比较常用的通用逆向工程软件有Surfa
16、cer、Delcam、Cimatron以及Strim等的。这些系统对逆向设计中的实际问题进行处理,极大地方便了设计人员。此外,一些大型CAD软件也逐渐为逆向工程提供了设计模块。例如Pro/E的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模块,可以接受有序点(测量线),也可以接受点云数据。,总结:逆向工程是产品研发的有效途径。逆向工程把三坐标测量机、CAD/CAM/CAE软件、CNC机床有机而又高效地结合在一起,成为产品研发和生产的一个高效、便捷的途径。逆向工程不仅仅是产品的仿制,它更肩负着数学模型的还原和再设计的优化等多项重任。当前,虽然逆向工程发展已取得了长足进展,逆向工程的概念已深入人心
17、,并被广泛应用于各个领域,不仅是机械产品的研发,许多企业纷纷采用逆向工程模式进行产品研发和生产。但产品逆向工程还是一个不完全成熟的过程,各个环节仍有待于进一步完善、探索和研究,并没有非常完善的解决方案。,6.2 逆向工程系统组成及工作原理1.逆向工程系统组成2.逆向工程的测量技术 1)测量方式 2)测量设备 3)接触式测头及其工作原理 4)非接触式测头及其工作原理3.测量数据预处理技术 1)数据平滑 2)多视数据对齐定位 3)数据分割4.模型重建技术 1)曲线拟合造型 2)曲面拟合造型 3)曲面编辑 4)点数据网格化 5)模型精度的评价5.逆向工程软件,1.逆向工程系统组成逆向工程需要使用精密
18、的测量系统来测量样件轮廓三维尺寸,再对取得的各点数据作曲面重建、分析及加工成型。逆向工程系统主要由三部分组成:产品实物几何外形的数字化、CAD模型重建和产品(或模具)制造。所以,一套完整的逆向工程系统应包括下列基本配备:,(1)测量测头:分接触式(如触发测头、扫描测头)和非接触式(包括激光位移测头、激光干涉仪测头、线结构光及CCD扫描测头、面结构光及CCD扫描测头等)两大类。(2)测量机:有三坐标测量机、多轴关节式机械臂及激光追踪站等。(3)数据处理软件:由坐标测量机得到的外形点数据在进行CAD模型重建以前,必须进行格式转换、噪声滤除、平滑、对齐、归并、测头半径补偿和插值补点等数据处理。,(4
19、)模型重建软件(CAD/CAM),包括三类:一是用于正向设计的CAD/CAE/CAM软件,如Solidworks、I-Deas、GRADE等,但数据处理和逆向造型功能有限;二是集成有逆向功能模块的正向CAD/CAE/CAM软件,如集成有SCAN-TOOLS模块的Pro/ENGINEER,集成有点云处理和曲线/曲面拟合、快速造型功能的UGII和STRIM100等;三是专用的逆向工程软件,如Imageware、Paraform、Geomagic等。除此之外,有较高要求的还包括产品数据管理(PDM)等软件。,(5)CAE软件:完成计算机辅助工程分析,包括机构运动分析、结构仿真、流场及温度场分析等,可
20、提高设计成功率。目前较流行的分析软件有Ansys、Nastran、I-Deas、Moldf1ow、ADMAS等。(6)数控加工设备:进行原型制作或模具制作。(7)快速原型机:快速产生模型(有立体印刷成型、层合实体制造、选域激光烧结、熔融沉积造型、三维喷涂粘结、焊接成型和数码累积造型等方法)。(8)产品批量生产设备:包括注射成型机、冲床、钣金成型机等。,2.逆向工程的测量技术在产品开发中,采用逆向工程方式处理的产品往往具有尺寸不易掌握的特性,如自由曲面的外观造型等。因此,逆向工程的首要任务就是取得所需的点数据,用于后续的模型构建。现介绍逆向工程的数据测量技术。,1)测量方式一个物体可用游标卡尺、
21、测微仪等作一维长度测量,也可用投影机、工具显微镜等在X、Y方向作二维平面测量。逆向工程多用三维立体测量,具体有接触式测量与非接触式测量。接触式测量设备主要是三坐标测量机;非接触式测量主要包括光学测量、超声波测量、电磁测量等方法。,(1)接触式测量。接触式测量将被测物体固定在三坐标测量机上,可获得被测物体上各测点的坐标位置,根据这些点的空间坐标值,经计算可求出被测物体的几何尺寸、形状和位置。,三坐标测量机,接触式测量的优点有:接触式测量不受样件表面的反射特性、颜色及曲率影响,配合测量软件可快速准确地测量出物体的基本几何形状,如面、圆柱、圆锥、圆球等。接触式测量的机械结构及电子系统已相当成熟,有较
22、高的准确性和可靠性。,接触式测量的缺点有:为了确定测量基准点,需使用特殊的夹具,测量费用较高。测量系统的支撑结构存在静态及动态误差。检测某些轮廓时,可能会有先天的限制。如测量内圆直径,触发测头的直径必定要小于被测内圆直径。,接触式触发测头以逐点进出方式进行测量,测量速度慢。接触测头测量时,测头尖端部分与被测件之间发生的局部变形将影响测量值的实际读数。不当的操作容易损害样件某些重要部位的表面精度,也会使测头磨耗、损坏;为了维持一定的精度,需要经常校正测头的直径。,采用接触式测头测量时,由于测头半径的影响,得到的坐标数据并不是测头所触及的表面点的坐标,而是测头球心的坐标,当被测点的表面法矢方向和测
23、轴方向一致时,测点坐标和测头中心相差一个测头半径值。通常的测头半径在0.251.5 mm之间,如果忽略测头半径,即测量得到的数据不进行半径补偿处理,就会带来数据测量误差。如图6-3(a)所示,测量点连线为平面曲线,当测头的压力矢(表面法矢)和测量截面不在一个平面时,测量点连线为空间曲线。,图6-3 测头半径补偿,如要求得物体真实外形,则需要对测头半径进行补偿。图6-3(b)所示是测头半径补偿原理图。当测量某一曲面时,测头尖端与被测件之间的接触点为A,A点至球心C点有一偏差量。所以,必须沿法线负方向补正一个测头半径值。这将使整个曲面补正计算繁杂、冗长,还可能导致修正误差。,(2)非接触式测量。随
24、着光电子技术、微电子技术以及计算机技术的发展,使得光学在测量领域中的应用有了重大突破,开启了逆向工程中数据测量的非接触式测量时代。,非接触式光学测量有如下优点:没有测量力,可以用来测量各种柔软的和易变形的物体,也无摩擦。可以快速对物体进行扫描测量,测量速度和采样频率较高。不必进行测头半径的补偿。不少光学测头具有大的量程,如十毫米乃至数十毫米,这是一般接触测头难以达到的。同时探测的信息丰富。例如,CCD摄像机可以同时探测到视场内大量的二维信息(接触式只能一点一点探测),还能测得物体的光学特性。,非接触式测量也还存在如下缺点:测量精度较差,非接触式测头大多使用光敏位置探测器(Position Se
25、nsitive Detector,PSD)来检测光点位置,目前PSD的精度仍不够高,误差一般在20 m以上。使用CCD作探测器时,成像镜头的焦距会影响测量精度,当工件几何外形变化大时,成像可能失焦,导致成像模糊。,非接触式测头是通过接收工件表面的反射光或散射光来测量物体的,测量结果易受环境光线及工件表面的反射特性的影响,噪声较高,噪声信号的处理比较麻烦,工件表面的粗糙度、颜色、斜率等均影响测量结果。为避免CCD摄像头在取像时受外界杂散光的干扰,可在CCD镜头前加带通滤光镜,限制摄取的光线波长。因此,非接触式测量适合做工件轮廓坐标点的大量取样,对边线处理、凹孔处理以及不连续形状的处理比较困难。表



- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第六 逆向 工程 课件

链接地址:https://www.31ppt.com/p-3834677.html