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1、逆向工程技术及应用实验指导书何照荣 铁永亮 著广东石油化工学院 机电工程学院2009实验一 物体三维尺寸数据采集实验一、实验目的1、通过实验了解逆向工程中原始数据的采集方法和应注意的问题；2、了解三维结构光扫描装置的基本操作和相关知识元；3、了解Geomagic和TN-3Doms软件的基本操作。二、实验设备1、三维结构光扫描装置1台；2、齿轮、烟灰缸、传动零件若干；3、Geomagic 11.0软件1套；4、TN-3DOMS软件1套。三、相关知识TN 3DOMS.S 采用非接触式光学扫描，除了覆盖接触式扫描的适用范围之外，还可以用于柔软的、易碎的，以及难于接触的物体的扫描场合。高速的扫描使得用
2、户在很短时间内得到所需的数据，大大缩短了产品造型的开发周期。三维光学扫描仪与普通的扫描仪不同之处在于它记录的是被测物体的所有表面的三维坐标信息。TN 3DOMS.S 可以广泛地应用于模具设计、零配件设计加工、逆向工程、实体测量、质量检测和控制，广告动画设计、文物复制和修复、医学研究等多项领域。技术特点（1）面扫描采用独特的照相式原理，在瞬间获得整个物体表面的三维数据，每次扫描一个面，效率极高。（2）精度高利用独特的测量技术，可获得非常高的测量精度。（3）速度极快单面扫描时间3s20s。（4）便携式设计可灵活地移动扫描仪来进行测量，特别适合对大型或重型物体的测量，且硬件设备占地少，受环境因素制约
3、少。（5）非接触扫描用于柔软、易变形的物体的测量,适用范围非常广泛。（6）对环境条件不敏感环境光对该扫描仪的影响极小，相对其他光学式扫描系统而言，该系统不需要在暗室中操作，适用环境范围非广泛，可以在露天环境进行扫描。（7）测量输出数据接口广泛三维光学扫描仪测量所得为点云数据，该数据可保存为ASC 格式以及WRL（可存储彩色信息）格式，可以直接与Geomagic、CATIA、UG 等软件交换数据。（8）操作软件界面友好三维光学扫描仪高度集成和智能化的设计，使用户不需过多的培训就可以熟练操作，软件操作简单、快捷易学。四、实验步骤三维光学测量系统测量流程如下：1、软件主界面TN-3DOMS的软件界面
4、如下图：2、工程文件2.1 单击“文件新项目”菜单，执行“新项目”命令，可以创建一个新工程。2.2 打开项目单击“文件打开项目”菜单，执行打开工程命令，在本软件中，通过打开工程命令，可以将工程所在文件夹下不同编码的图片数据处理成三维的点云数据，并载入到工程中。2.3 保存当前项目单击“文件保存当前项目”菜单，执行保存命令，在本软件中，通过保存命令，您可以保存当前的测量项目，包括图片信息。2.4 载入数据单击“文件载入数据”菜单，可以载入“*.asc”点云格式的文件，进行查看。2.5 导入单击“文件导入”菜单，可导入的数据格式有“*.asc，wrl2.0，iges，stl”，以及标定数据等。2.
5、6 导出单击“文件导出”菜单，可导出的数据格式有“*.asc，wrl2.0，iges，stl”以及标定数据等。2.7 退出单击“文件退出”菜单，执行退出命令，退出软件的运行。3、测量3.1 开始测量单击“测量开始测量”菜单，设备开始扫描或直接点击或。3.2 插入测量单击“测量插入测量”菜单，插入一个新的工程项目。3.3 删除测量单击“测量删除测量”菜单，删除一个工程项目。3.4 属性单击“测量属性”菜单，如图示：“当前信息”显示出当前测量工程的相关信息；“方法”命令可以修改测量方法，采样等参数；测量质量：高速度：采用格雷码加相移方式测量，测量速度比较快，点云平滑；高质量：采用多频外差方式测量，
6、测量质量比较高，小特征细节明显。“类型”命令可以更改测量类型等参数，“系数”命令可以修正扫描误差，一般情况下不需改动。4、点云数据扫描部件如图。扫描部件前需对部件进行预处理，包括清洗表面锈迹、污渍等，然后使用DPT-5显像剂对其进行喷涂，保证表面漫反射。扫描完成后，获得点云数据，将点云数据另存为asc格式文件，用Geomaic打开，如下图：通过Geomagic软件对点云数据进行降噪、平滑、修补等处理后，获得较好的曲面质量，如下图，五、实验报告1、简述三维扫描过程，和需要注意的问题；2、对本实验系统的组成、基本工作原理等做简要叙述。实验二 快速成型技术原理实验一、实验目的1、了解快速成型的原理及
7、其与传统加工工艺的区别；2、了解不同快速成型方式的优点、缺陷和应用范围二、实验设备1、计算机2台；2、Dimension BST-1200es快速成型机1台； 三、快速成型的原理快速成形（Rapid Prototyping，简称RP）是80年代末期开始商品化的一种高新制造技术，是一种集计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、激光、精密伺服驱动、新材料等先进技术于一体的加工方法。快速成形的加工原理是依据计算机设计的三维模型，设计软件可以是常用的CAD软件，例如SolidWorks、Pro/E、UG、CATIA、CAXA等。也可以是通过逆向工程获得的计算机3D
8、模型。如图所示：图 1 CAD模型然后把CAD模型转化为快速成形的通用格式stl格式，这是一种三角形文件，它的原理是利用一系列的小三角形平面来逼近自由曲面，其中每个三角形用3个顶点坐标（X、Y、Z）和1个法向量（N）来描述。三角形的大小可以选择，从而得到不同的曲面拟合精度。如图 所示：图 2 转化为stl三角形文件然后把STL文件输入到快速成形的控制软件中，如图所示： 图 3 把stl模型输入快速成形处理软件最后由快速成形相关软件对模型进行分层切片，得到了各层的二维截面轮廓，使用特殊的加工方式把这些截面按顺序一层一层成形，最终叠加成三维工件实物。通常每层的厚度是0.0880.225mm。如图所
9、示： 图 4 分层并加工相应的二维轮廓快速成形采用了“层叠增长”的加工方式，和传统的“清除材料”的加工方式相反。它是一种理论上无废料的成形方法。快速成形具有如下的优点：1. 成形速度快快速成形的层叠增长成形原理将复杂的三维加工分解为简单的二维加工组合，这个它不必采用传统加工工艺的需要的机床、模具等，加工时间快，只需传统加工方法的1030的工时和2035的成本。2. 可以成形复杂的三维模型传统加工工艺收到机床、工种的限制，能够加工出的工件的形状收到一定的限制，对于造型复杂的工件难以完整加工。快速成形采用层叠增长的方式，只要模型的尺寸不要过大、不要过于细小，就可以加工出来，无论多复杂的模型都可以。
10、根据快速成型的基本原理，现代快速成形机的发展很快，实现手段多种多样，下面介绍5种最主流的快速成型设备。1）液态光敏聚合物选择性固化（SLA）成形机这是一种最早出现的商品化快速成形机，它是使用光敏聚合物作为成形材料，加工时激光束照射在液槽的液态光敏聚合物的上表面，并沿着此面做X-Y方向的扫描运动。这一层收到紫外激光束的照射部位的液态光敏聚合物快速凝固，形成了相应的一层固态截面轮廓。液态光敏聚合物常用的有：环氧树脂、丙烯酸树脂等。经过适当波长的紫外激光照射后，它们会发生聚合反映，迅速固化。2）丝状材料选择性熔覆（FDM）成形机 FDM的加工原材料是丝状热塑性材料（如ABS、MABS、蜡丝、尼龙丝等
11、），加工时加热喷头在计算机的控制下，可根据截面轮廓信息，做X-Y平面的运动和高度Z方向的运动。丝状热塑性材料由供丝机构送至喷头，并在碰头加热至熔融状态，然后杯选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成了截面轮廓。一层成形完成后，喷头上升一个截面层高度，再进行第二层的涂覆，如此循环，最终形成三维产品。3）粉末材料选择性烧结（SLS）成形机 SLS成形机采用CO2（或Nd：YAG激光器）和粉末状材料（如尼龙粉、聚碳酸酯粉等），成形时现在工作台用昆筒铺一层粉末材料，将其加热到略低于它的熔化温度，然后激光束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息，对之间的实心部分所在的粉末进行扫描，使粉末温度升至熔点，于是粉末
12、颗粒的交界处熔化，粉末相互粘结，逐步得到各层轮廓。一层完成后，工作台下降一个截面层的高度，再进行下一层的铺料和烧结，如此循环，最终得到三维工件实物。4）薄形材料选择性切割（LOM）成形机 LOM成形机采用的原材料是地面有热溶胶和添加剂的纸，工作时纸张逐步传送到工作台上方，热粘机构将一层一层的材料粘结再一起。激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓现运动，逐一再工作台上方切割出轮廓线，并将无轮廓区域切割成小方格，这是为了方便成形后能清除废料。可升降工作台支撑正在成形的工件，每层成形之后工作台下降一个材料厚度的高度。LOM快速成形机制作精度高，制件能承受200度，有比较高的硬度和较好的机械性能，可以
13、进行切削加工。它无需设计和制作支撑结构，制件的尺寸打，原材料便宜。但是这种成形发发不能直接制作塑料工件，抗拉强度和弹性不够好，工件容易吸湿膨胀，工件表面有台阶纹。5）立体打印机（3D Printer） 三维打印软件把三维CAD软件设计的模型转化为横截面切片，打印每层厚度可以是0.07620.2286mm。接着三维打印机把这些横截面切片按照从底到上的次序一层一层依次打印。五、实验内容（1） 学习快速成型的基本原理。（2） 使用自己熟悉的三维CAD软件（如SolidWorks、Pro/E、UG、CAXA等）设计一个作品，并在FDM设备上获得该作品的快速成型件。（3） 结合快速成型件观察不同成型方式的优、缺点。仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur fr den persnlichen fr Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l tude et la recherche uniquement des fins personnelles; pas des fins commerciales. , , . 以下无正文
