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1、模具逆向工程技术,主讲教师：王海平,课程的性质与地位,【课程性质】本课程是模具设计与制造专业的一门专业选修课程，作为模具专业的拓展课程。【课程地位】先导课程有模具制图与CAD、使用UG软件的零件三维造型、精密冲压模具的设计与制造、精密塑料模具的设计制造、使用数控铣床的模具零件编程与加工等课程；后续课程有使用UG软件的计算机辅助模具设计。,课程的内容,旨在通过介绍逆向工程的基本理论和方法，以及逆向技术在模具设计及制造方面的应用等内容，提高学生运用逆向技术来加快模具开发的能力。主要由三个模块组成：一、基本理论知识（8学时）二、实验操作（6学时）三、基于UG软件的产品逆向设计（31学时，这是逆向技术
2、在模具设计应用中的关键技术）,第一部分：基本理论知识,1.逆向工程的内涵与意义 逆向工程的关键技术 逆向工程应用范围 2.逆向工程的数据测量技术 3.数据的预处理技术 产品模型的重构技术,第一讲：逆向工程的基础知识,逆向工程的内涵与意义逆向工程的关键技术逆向工程应用范围,问题：1.什么叫逆向工程？2.为什么要学逆向工程技术？,逆向工程的内涵与意义,一、为了对逆向工程内涵有一个正确的理解，我们先来了解一下正向设计。,这个设计流程，大家能看明白吗？大家可以回想机械设计课程设计内容 减速器的设计。,正向设计的一般过程从功能与规格的预期指标确定开始构思产品的零组件需求零部件设计制造零部件组装检验整机组
3、装检验性能测试,正向设计定义:根据产品预定的功能需求进行开发，绘制出产品设计图，制造并进行装配，得到功能完整的产品的开发模式。,了解了“正向设计”之后，是不是“逆向设计”就是“正向设计”的简单逆转？,因此，需要正确了解“逆向设计”，从认知的角度来看，我们需要进一步了解逆向工程产生背景。,二、逆向工程产生的背景 1、随著工业技术的提升以及经济环境的成长，任何通用性产品在消费者高品质要求之下，功能上的需求已不再是赢得市场竞争力的唯一条件。2、造型设计多针对产品的外形美观化来处理，在顺向工程的流程中已不是传统训练下的机械工程师们所能胜任。3、一些具有美工背景的设计师们可利用CAD的技巧构想出创新的美
4、观外型，再以手工方式塑造出模型，如木模、石膏模、黏土模、蜡模、工程塑料模、玻璃纤维模等等，然而再以三维尺寸量测的方式建立出自由曲面模型的CAD图档。,顺向工程中的产品造型设计加工流程，已有【逆向工程】的观念。,通过下图表达，可以看出：,在了解了以上两点后，先给出逆向工程定义 逆向工程(Reverse Engineering)：就是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术，几何模型重建技术和产品制造技术的总称。又称之为反求工程或者反向工程 下面通过模具逆向工程过程的图解，来加深对逆向工程内涵的理解！,三、模具逆向工程的过程,正向工程,逆向工程,正向工程设计从实现某一功能的概念开始。要对产品进行功能
5、分析,在满足功能要求的前提下选择合适的结构组合成产品雏形,再根据约束条件来修正,直至产品定型。难点/关键在于充分了解产品的使用要求,找到合理的物化过程和物化结构。,总结：正向工程与逆向工程的区别,逆向工程几何实现的设计过程，产品设计是从模型数字化的实现过程开始的。对已有产品的仿制或仅局部修改,对产品的功能不做主要因素考虑。难点/关键在于模型的重构技术(对已有模型进行合理几何表达的方法)。,逆向工程的意义 我们为什么要学模具逆向工程技术？1、从历史发展角度来看，发达国家实施逆向工程将大大节省研究时间和研究经费。2、从技术发展需要来看，逆向设计综合了三维测量、计算机辅助设计、快速成型等高新技术，对
6、产品创新有着实际意义。3、采用逆向设计，通过快速成型及硅胶复模实现产品小批量生产，快速投放、验证市场，为抢占商机、赢得市场节省了大量宝贵的时间，并且有效地规避了风险。,逆向工程的发展 返回,20世纪60年代出现日本在60年代初提出科技立国方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最为突出1945-1970年，引进国外先进技术（80为专利、图纸）投资60亿美元。（自行研制需1800-2000亿美元）掌握每项技术需2-3年。（自行研制需1215年）60年代中期，机械工业研究经费16.9用于引进，68.1用于消化、改造。逆向工程节省约2/
7、3的研究时间、9/10的研究经费一些产品的设计是从实物模型开始的，如：汽车设计,文物的复制,建筑设计等。计算机和信息技术的发展，促进了逆向工程的发展,如:快速成形技术,影视动画技术等。,问题：1.关键技术包含哪些？2.具体内容是什么？,逆向工程的关键技术,逆向工程的关键技术主要有：1、三维测量技术 2、测量数据的前处理技术 3、测量数据的CAD反向建模技术 4、逆向工程的接口技术,图解,接口技术,三维测量技术（数据获取）,数据获取是逆向工程CAD建模的首要环节。根据测量方式的不同，数据采集方法可分为接触式和非接触式测量2大类。接触式测量通过传感器侧头与样件的接触而记录样件表面点的坐标位置。非接
8、触式测量主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转换为样件表面的坐标点。,数据的前处理技术,数据预处理是逆向工程CAD建模的关键环节，它的结果将直接影响后期重建模型的质量。包括：测量数据的坏点、测量误差的去除，多视图测量数据的整体拼接，冗余数据的去除，测量数据的简化和优化等。,测量数据的CAD反向建模技术,它也是逆向工程CAD建模的关键环节。包括：测量数据的分割和曲面拟合，被测实物的CAD模型重构技术等。在逆向工程中，产品表面往往无法由一张曲面进行完整描述，而是由多张曲面片组成，因而必须将测量数据分割成属于不同曲面片的数据子集，然后对各子集分别构造曲面模型
9、。由于重构的曲面之间可能存在裂缝、或者缺少曲面边界信息等因素。因此要通过CAD模型重构手段（延伸、求交、裁剪、过渡、缝合）建立模型完整的点、边、面信息。,逆向工程的接口技术,它是逆向工程的一个必要环节。包括：测量数据与快速成形系统的接口（STL文件），测量数据与CNC设备的接口（DXF、IGES、点云文件），测量数据与CAD/CAM系统的接口（DXF、IGES、STEP文件），以实现与现有的制造设备、CAD/CAE/CAM等软件的数据交换。在逆向工程中，快速成型机或者数控加工机床可用来快速制作实物，能实现原型的放大、缩小、修改等功能。,问题：1.逆向工程在模具设计及 制造领域有哪些应用？2.逆
10、向工程在其它领域有 哪些应用？,逆向工程的应用范围,逆向工程在模具设计及制造领域的应用,1、上游厂商的实物样件 根据客户提供的实物样件制造出模具或直接加工出产品。从上游厂商接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型,但是,也可能面对的并非CAD 的模型,而是实实在在的实物样件,通过逆向工程技术与CAD/CAM 系统的结合,为客户提供快速模具制造服务。,逆向工程在模具设计及制造领域的应用,2、定型的试模 模具制造过程中经常需要反复试模和修改模具型面,若测量最终符合要求的模具并反求出其数字化模型,在重复制造该模具时就可运用这一备用数字化存档模型生成加工程序,当一个模具接近它的失效点时,存档数据被取
11、出,重建模具,老的模具立刻被新的替换,可以大大提高模具生产效率,降低模具制造成本。,逆向工程在模具设计及制造领域的应用,3、损坏或磨损模具的还原 在模具运转的生产过程中根本不允许有停机时间,当模具报废的时候,生产制造会被迫停滞。当模具损坏或磨损,又没有该模具的三维数字化模型时,可直接采用逆向工程的方法重构出CAD 模型,对损坏的模具表面进行还原和修补。由于被测模具表面的磨损、损坏等因素,会造成测量误差,这就要求逆向工程系统具有推理和判断能力。如:对称性、标准尺寸、平面间的平行和垂直等特性。最后加工出替换模具。,逆向工程在模具设计及制造领域的应用,4、引进模具消化吸收、二次创新 对从国外引进的产
12、品及模具技术的消化吸收、二次创新,通过分析引进技术设计意图,结合逆向工程及CAD/CAM 技术,建立数字化模型,进行再设计,克服引进技术的不足,实现引进技术的消化吸收与二次创新。再设计一般要通过CAE 分析或制作快速模具样件等手段来评估模具模型,达到要求的模型进一步生成NC 刀规,再加工出新模具。,逆向工程在模具设计及制造领域的应用举例,比如说：要翻新一个使用30多年前制造的潜水面罩模具。它被修补多次，且磨损严重，已经不能在生产中继续使用。由于该模具加工年代久，再加上当时以手工制造为主的生产条件的限制，保留下的技术文档只是几个主要曲面的剖面线型图。继续使用原方法进行加工，耗时费工，要达到原来的
13、精度有一定的难度。应用现代的加工技术可以很方便地完成模具的制造，但必须首先测量该模具，建立产品的三维模型。,翻新潜水面罩模具,1.测量方案的确定 使用激光扫描仪对该模具进行多次扫描测量。比如，对面罩主体型芯、面罩主体型腔和面罩与脸部相贴的密封边型芯分别进行扫描。,翻新潜水面罩模具,2.样件的前期处理 作为光学测量方法，物体表面的光学特性对测量结果影响较大。因为原件表面为黑色，漫反射特性不好，不能确保所测量数据点的清晰度，对模具型腔、型芯表面进行了喷白漆处理。,翻新潜水面罩模具,3.保证坐标系统一下的多次扫描 模具翻新要解决的关键问题是坐标系的一致性。进行多次扫描不能保证扫描点数据是在同一坐标系
14、下，在曲面重建时需将这些数据转换到同一坐标系中。,翻新潜水面罩模具,4.对点数据进行处理 扫描获得的点数据以ISO格式调入Surface软件中，做进一步处理。,5.曲面模型的构建 最终曲面的构建是在UG软件中完成的。,逆向工程在其它领域的应用,1、新零件的设计，主要用于产品的改型或彷型设计。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。5、人体形状量测：人体外形量测、医学工程。7、造型设计：立体动画、多媒体虚拟实境、广告动画等。,鞋揎的扫描和反求,汽车造型的扫描和反求,复杂曲面的反求,骨骼的扫描及反求,牙颌的点云和反求,颅骨的点云和反求,狗头部的点云和反求,人面部部的点云和反求,应用于影视动画技术,点云,网格,艺术品的点云和反求,
