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1、逆向工程技术及其应用,什么是逆向工程,一、逆向工程技术,1、2、3、4、5、6、逆向工程技术发展展望,逆向工程流程,逆向工程软件介绍,产品制造技术介绍,逆向工程应用,20世纪60 年代，日本为了恢复和振兴经济，提出科技兴国和大力发展制造业的方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，并对机床、汽车、电子、光学设备和家电等行业的发展给予优惠政策。日本政府和企业普遍认为对别国先进产品和先进技术的引进、消化、吸收、改进和挖潜，是自身发展的一条捷径。观点很快被事实验证，由此引发了逆向设计（Reverse Design）的概念。,1、什么是逆向工程,1、什么是逆向工程,明确提出逆向工
2、程（Reverse Engineering）这个术语并作为一门学问和实用技术进行系统研究则是近30年的事情。20世纪80年代初分别由美国3M公司、日本名古屋工业研究所以及美国UVP公司提出。,1、什么是逆向工程,逆向工程发展至今，已经成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段和重要策略之一。据统计，各国70%以上的技术源于国外，逆向工程作为掌握、改进和发展技术的一种手段，可使产品研制周期缩短40%以上，从而极大地提高了生产率。逆向工程的实际应用为许多企业的发展带来了生机，进而为创新设计和各种新产品开发奠定了良好基础。,逆向工程(Reverse Engineering）以设计方法学为指导，以现代设计
3、理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有产品进行解剖、深化和再创造，这就是逆向工程的含义。可以说，逆向设计是对已有设计的再设计，其中再创造是逆向设计的灵魂。在实际操作中，用一定的测量手段对实物或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程，是一个从样品生成产品数字化信息模型，并在此基础上进行产品设计开发及生产的全过程。,1、什么是逆向工程,正向工程是泛指按常规的从概念(草图)设计到具体模型设计再到成品的生产制造过程。逆向工程常指从现有模型(产品样件、实物模型等)经过一定的手段转化为概念模型和工程设计模型乃至成品的过程。,概念设计
4、,详细设计,CAD数模,模具,成品,数据获取,CAD数模,模具,成品,a)正向工程,b)逆向工程,实物样件,1、什么是逆向工程,逆向工程流程,2、逆向工程流程,2、逆向工程流程,实物样件,数据采集,数据预处理,曲面重构,简单流程图,2.1数据采集,数据采集是逆向工程建模的第一步，它是用一定的设备对实物进行测量来获取实物的表面数据(有时也包括内部数据)。测量的方法有很多，如图所示：,测量设备,接触式,非接触式,机械手,三坐标测量仪,基于光学,基于磁学,基于声学,三角几何测量法,干涉法,图像分析法,光速测距法,结构化光照法,2023/7/2,11,测量设备,接触式测量,非接触式测量,数字获取方法,
5、2023/7/2,13,测量方法的比较,接触式测量,2023/7/2,14,测量方法的比较,非接触式测量,数据格式,模型重建方法：等值面抽取(MC)算法、径向基函数(RBF)算法及德洛内三角化(DT)等,3D重建流程,2.2 数据预处理,在数据采集阶段，几乎所有的测量方式、测量系统在测量过程中都不可避免地存在误差。对于大型或复杂的零件我们也不得不进行多次扫描。这样就需要对采集后的数据进行拼合处理。由光学方法得到的极为密集的测量数据称为“点云”，对于点云我们也要做必要的精简处理。数据的预处理是十分必要的。对于点云的预处理主要包括以下几个方面：,去除杂点,数据拼合,数据细分及精简,去除噪声,受扫描
6、设备和环境因素的影响，扫描以后得到的点云会存在大量的噪声点，这些噪声点会干扰我们后继工作的展开，所以在进行曲面重构之前要把这些噪声点去除。噪声就是表面高频小凸起等细小结构。去除噪声也称为 网格光顺,新的网格点等于邻域点的平均坐标值，循环递归可以有效去除噪声，改善网格三角片形状，且不会改变模型拓扑。,网格光顺技术,网格光顺技术,缺点：邻域点权值均等，与实际不符。导致过渡光顺，模型尖边特征也会 模糊,网格光顺技术,改进：修改邻域权值，可有效光顺模型，同时保留特征。然而，如何确定权值是难点，此外，噪声和小的尖特征也难以区别,从左至右：原始模型，噪声模型，光顺模型,数据拼合,受激光扫描仪的限制，很多零
7、件是不能一次就采集全所有数据的，多次扫描后每块点云的坐标都发生了变化，数据拼合就是把它们统一在一个坐标系下。,2023/7/2,23,数据插补,由于实物拓扑结构以及测量机的限制，一方面在实物数字化时会存在一些探头无法测到的区域，另一种情况则是实物零件中存在表面凹边、孔及槽等，使曲面出现缺口，这样在造型时就会出现数据空白现象，影响曲面的逆向建模。目前应用于逆向工程的数据插补方法主要有实物填充法插值补充法软件算法,数据插补,网格细分-简单粗糙的多边形表面变成光滑曲面的表面。算法来源-“切角”；理论依据：Beizer及样条曲面,数据细分及简化,多边形粗糙表面-光顺表面,细分技术应用(98Sig会议)
8、：-Geri的手和头-服装-领带和鞋,类似细分技术的逆运算：复杂表面-尽量保留特征的简化表面。-扫描越精细，模型数据越大，处理、传送不方便。,数据简化,算法在网格中寻找不重要的点、边和面，去掉它们。难点是如何确定重要性权值。,数据简化,在不损失模型特征的情况下对点云进行有效的精简可以大大的提高工作效率数据精简前点云数为323315点数据精简后点云数为104748点,精简前,精简后,数据简化,递进网格-网格简化又一个应用，网络传输显示。,数据简化,在3D刚体运动中，形状特征线保持不变，这是形状识别、匹配和分割等网格形状处理操作的基础；此外，扫描技术的发展使得获取数据愈来愈精细，为特征分析提供了可
9、能。,特征分析及编辑,模型表面特征通常对用凹凸不平的几何元素。即高曲率部分。-离散表面近似计算曲率：1.曲率公式离散化；2.拟合局部网格点，得到一个近似曲面。,特征分析及编辑,问题：精度难以保证，容易误检测或漏检测。,2023/7/2,34,数据分割,数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面类型，将属于同一子曲面类型的数据成组，这样全部数据将划分成代表不同曲面类型的数据域，为后续的曲面模型重建提供方便。常用方法：用户定义交互分割自动分割,测量数据点 数据点分割 拟合29个二次曲面,数据分割,3、逆向工程软件介绍,SDRC公司的 ImageWare surfacerRaindrop Geomagi
10、c公司的GeomagicEDS公司的Unigraphics NX Cloudform Catia,SDRC公司的ImageWare surfacer,Raindrop Geomagic公司的Geomagic,EDS公司的Unigraphics NX,PTC公司的Pro Engineer,ImageWare surfacer,Imageware是著名的逆向工程软件，广泛应用于汽车、航空、航天、家电、模具、计算机零部件领域。Surfacer是Imageware的主要产品，主要用来做逆向工程，它处理数据的流程遵循点-曲线-曲面原则。,Geomagic Studio,Geomagic Studio是美
11、国Raindrop Geomagic(雨滴)软件公司推出的逆向工程软件。该软件是目前市面上对点云处理及三维曲面构建功能最强大的软件，利用Geomagic Studio可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格。并可自动转换为NURBS曲面。,Unigraphics NX,Unigraphics(UG),是美国 EDS公司推出的CAD/CAE/CAM一体化软件，广泛应用于航空、汽车、机械、家电等各行各业。UG具有独特的复合建模方法，这使它在建模方面更加灵活，在产品设计初期可以将主 要精力放在设计思想 和设计方案上，可以 提高设计效率。,Pro Engineer,Pro/E是美国参数
12、技术公司(PTC)推出的3D CAD/CAE/CAM软件，它采用参数化行为建模技术，在实体造型方面功能更强大，因此在制造业尤其是机械制造业获得了广泛的应用。由于采用“全尺寸”约束，所以约束尺寸不能漏注也不能多注，从而设计过程过于呆板。,Catia（常用于曲面创建）,Cloudform（常用于点云处理）,计算机辅助制造CAM,两种定义:广义CAM 指借助计算机完成从生产准备到产品制造出来的过程中的各项活动，包括工艺过程设计（CAPP）、工装设计、计算机辅助数控加工编程、生产作业计划、制造过程控制、质量检测与分析 狭义CAM 通常指NC程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真、后置处
13、理及NC代码生成,4、先进制造技术,将设计人员从大量繁琐的重复劳动中解放出来，减少设计、计算、制图、制表所需的时间，缩短了设计周期，提高了产品的质量，有利于发挥设计人员创造性借助计算机辅助分析技术，可从多方案中进行分析、比较、选出最佳方案，实现设计方案的优化。有利于实现产品的标准化、通用化和系列化促进先进生产设备的应用，在较大范围内适应加工对象的变化，提高生产过程自动化水平，有利于企业提高应变能力和市场竞争力CAD/CAM的一体化，可以实现信息集成，使产品的设计、制造过程形成一个有机的整体，在经济上、技术上给企业带来综合效益,优越性,快速成型技术（Rapid Prototyping，简称RP）
14、20世纪80年代发展起来的，它综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而大大缩短产品的研制周期。因而，被认为是近20来制造领域的一个重大突破。影响力与数控技术相当。3D打印,快速成型技术,工作时，机器将粉末材料一层层地用液态连接体也就是特殊胶水粘合，按照不同的横截面图案固化，一层层叠加，感觉像是在做蛋糕那样创建三维实体。,基本思路 CAD模型建立 STL文件生成 分层切片 快速堆积成形,基本原理与现有技术,其实3D打印机原理很简单，每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶
15、水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被打印成型。完成后，要处理掉物品周围沾满的粉末，这是可以循环利用的，再涂上增强硬度的胶水。眼下3D打印机有两种类型，一种是堆叠法，一种是烧结。原理基本都是多层分片打印，而堆叠和烧结只是成型技术的区别。堆叠只能成型塑料、硅之类的材质，对固化反应速度有要求，而烧结可以利用激光的高温对金属粉末进行处理加工出金属材质的东西出来，实体可通过打磨、钻孔、电镀等方式进一步加工。所以3D打印机和普通打印机，最大的区别是“墨水”。现有的3D打印技术能够实现
16、600dpi分辨率，每层厚度只有0.01毫米，想完美地展现头发丝还是很困难的，但是做小零件、模型绰绰有余。技术的发展和粉末很有关系，材料越细，每一层就更薄，做出来的东西精度就越高。,国内现状 我国在90年代先后有武汉华中科技大学快速制造中心、中科院深圳先进技术研究院、西安交大先进制造技术研究所、北京殷华实业有限公司、陕西省激光快速成型与模具制造工程研究中心等在快速成型工艺研究、设备开发、数据处理及控制软件、新材料的研发等方面做了大量有成效的工作。,3D打印为何能火,新的三个有关3D打印的报道很吓人，一个是打印房子，另一个打印飞机，三是打印手枪。其实在欧美，注重创造力的发达国家，3D打印技术已经
17、成功商用，尤其是消费电子业、航空业和汽车制造业。它们不光可以离开传统的大规模机床来制造小数量的部件，而且可以用不同方法来制造，比如单个制作喷气式飞机上的空气动力导管，而不再需要很多不同的元件来组装它。,用发展的眼光来看，3D打印首先会影响的是模具行业。即便在国内制造行业不景气的今天，模具行业仍然风景独好，一方面是对技术要求高，另一方面是市场有需求，在产品大规模生产之前，必须要进行多次打样和修改。3D打印机的出现，其实是消灭了模具反复打造的流程，能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，极大地缩短产品的研制周期，大幅减少成本投入，对于一些复杂而精细的造型，3D打印机表示毫无压力。,3D打印为何
18、能火,其次是会引发个性风潮。对一些小厂家来说，迫于模具制造的高成本，往往会采用公模来生产，虽然在功能上能满足用户的需求，但千篇一律的造型，很难迎合时下个性化的发展趋势，所以卖不出高价，只能靠低价来吸引消费者。在机械化和流水线盛行的年代，人们对于手工的东西有特别的亲切感，即便价格昂贵数倍，也不愁找不到买家，原因是手工制作不可能有相同的，而且品质有保证。3D打印机的出现，一方面满足人们对个性化产品的追求欲，完全可以量身定制，另一方面在大大提高生产效率的同时，还能降低成本。第三是激发了人的想象力。极客牙医用它进行牙齿正畸和数字化种牙，减少风险和痛苦；外科医生更厉害，直接打印骨头，只不过把材料换成添加
19、了硅和锌磷酸钙，用于临床手术；汽车维修公司用它来打印稀缺的汽车零部件，原先要等全球物流下2个月才到的一个东西，1个小时搞定了；英国科学家还在3D打印机的基础上成功改造，使用液态巧克力作为“油墨”，可以打印各种形状的巧克力，几乎所有人都相信，3D打印机会成为食品界杀手级工具。,3D打印应用广泛,医疗行业最近，一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染，因此换上了由3D打印机“打印”出来的下颚骨，这是世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例。随着技术的发展，甚至可以打印出具有活性的人体组织等。,科学研究美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描，利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型，不但保
20、留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例缩减，更适合研究。,产品模型比如微软的3D模型打印车间，在产品设计出来之后，通过3D打印机打印出来模型，能够让设计制造部门更好的改良产品，打造出更出色的产品。,建筑设计在建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美。完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。,实例作品,5、逆向工程的应用,1、2、3、4、5、,从油泥模型开始的产品设计,产品的仿制及改进,艺术品的复制,在模具制造中的应用,医疗产品的制造,从油泥模型开始的产品设计,在汽车的设计初期，设计师将设计方案用油泥模型表达出来，然后对它进行
21、风阻实验，逐渐完善确定最终方案，再把这时的模型通过逆向工程技术转化为CAD模型。逆向工程在汽车领域的应用大大提高了汽车整车开发的周期。,产品的仿制及改进,基于实物的逆向工程应用最广的还是进行产品复制和仿制，尤其是外观设计产品。逆向工程在产品开发领域的应用，大大提高了产品开发的速度，对现有产品进行数字化扫描，完成实物的3D重建后，通过NC加工就能快速地制造出模具，最终注塑得到所需的产品，这个过程已经成为我国沿海地区许多企业的产品开发及生产模式。,在模具制造中的应用,由于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，往往需要通过实验来最终确定零件形状，如在模具制造中经常需
22、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。其将最终符合要求的模具测量并反求出其CAD模型在再次制造该模具时就可运用这一模型生成加工程序，就可大大减少修模量，提高模具生产效率，降低模具制造成本。,艺术品的复制,古代艺术品价值不菲，保存困难，世人往往难以近距离欣赏，因此对考古文物进行复制有着深远的意义。,医疗产品的制造,医疗产品由于外形复杂，常规设计很难满足产品要求，逆向工程设计提供了良好的设计便利。,逆向工程的研究已经日益引人注目，在数据处理、曲面片拟合、几何特征识别、商用专业软件和坐标测量机的研究开发上已经取得了很大的成绩。但是在实际应用当中，整个过程仍需要大量的人机交互工作，操纵者的经验和素质直接影响着产品的质量，自动重建曲面的光顺性难以保证，下面一些关键技术将是逆向工程主要发展方向：,6、逆向工程技术发展展望,(1)数据测量方面：发展面向逆向工程的专用测量设备，能够高速、高精度的实现产品几何外形的三维数字化，并能进行自动测量和规划路径；(2)数据的预处理方面：针对不同种类的测量数据，开发研究一种通用的数据处理软件，完善改进目前的数据处理算法；(3)曲面拟合：能够控制曲面的光顺性和能够进行光滑拼接；(4)集成技术：发展包括测量技术、模型重建技术、基于网络的协同设计和数字化制造技术等的逆向工程技术,谢 谢！,
