逆向工程教案PPT

光学扫描测头
模拟扫描测头
激光扫描测头
——机械接触式测头
三坐标测量机（CMM）－
接触测量 精度高，几个um
接触式特点
可直接测量特征尺寸
测量速度慢
硬质表面
内部尺寸受限制
光电式测头——结构形式
三角法测头、激光聚集测头、光纤测头、体视式三维测头、 接触式光栅测头
三角法测头——基本原理
已有的相关科学技术成果进行创新构思， 设计出具有科学性、创造性、新颖性及实 用性的产品的一种实践活动，是创造具有 市场竞争优势商品的过程。 其基本特征是新颖性和先进性。
2、创新设计的分类
常规设计：一般只需对某些参数作些变动
原理开拓型：运用新技术原理解决新问题、应用新 技术原理解决老问题、对“旧”技术原理进行新的开 发应用 组合创新类：将已有的零部件，通过有机组合而成 为一种产品，这种产品又能达到一种新的整体功效
将被测物体置于 三坐标机的测量 空间，可获得被 测物体上各测量 点的坐标位置， 根据这些点的空 间坐标值，经计 算可求出被测得 几何尺寸、形状 和位置。
—— 组成：
三坐标测量机（CMM）
测头：按照结构原理，可分为机械式、光学式和电气式等
按测量方法，可分为接触式和非接触式 接触式触头可分为硬测头和软测头
电气式测头
类型：动态测头和静态测头 动态测头（触发式）的结构形式和特点
动态测头结构简单、成 本低，可用于高速测量， 但精度稍低，而且动态 测头不能以接触状态停 留在工件表面，因而只 能对工件表面作离散的 逐点测量，不能作连续 的扫描测量。
静态测头的结构形式和特点

静态测头除具备触发式测头的触发采样功能外， 还相当于一台超小型三坐标测量机。测头中有三 维几何量传感器，在测头与工件表面接触时，在 X、Y、Z三个方向均有相应的位移量输出，从而 驱动伺服系统进行自动调整，使测头停在规定的 位移量上，在测头接近静止的状态下采集三维坐 标数据，故称为静态测头。静态测头沿工件表面 移动时，可始终保持接触状态，进行扫描测量， 因而也称为扫描测头。其主要特点是精度高，可 以作连续扫描，但制造技术难度大，采样速度慢， 价格昂贵，适合于高精度测量机使用。
三坐标测量机——测量软件
分为基本测量软件、专用测量软件和附加测量软 件 基本测量软件：必备的最小配置软件，负责完成 整个测量系统的管理，通常具备以下功能（1）运 动管理功能：包括运动方式选择、运动进度选择、 测量速度选择；（2）测头管理功能：包括测头标 定、测头校正、自动补偿测头半径、各向偏置、 测头保护和测头管理。（3）零件管理功能：确定 零件坐标系及坐标原点、不同坐标系的转换。（4） 辅助功能：坐标系及单位的选择。（5）输出管理 功能：输出设备选择、输出结果及格式的选择； （6）几何元素测量功能：
集思广益型：畅谈集智法、默写集智法、函询 集智法
4、产品设计逆向工程的两种方式
一是由设计师、美工师事先设计好产品的油泥或 木制模型，由坐标测量机将模型的数据扫入，再 建立计算机模型。 二是针对已有产品的实物零件，通常是国内外一 些最新的设计产品，这种产品逆向设计方法也就 是仿制。

仿制是一种最低层次的逆向工程，有可能触犯法 律。因此，需要对模型进行修改、再设计，以获得一 个不完全相同甚至不同的新的结构外形，最终达到产 品设计创新之目的。
1.6 逆向工程常用软件介绍
2、Geomagic

Studio软件：

主要功能有： 自动将点云数据转换为多边形（Polygons） 快速减少多边形数目（Decimate） 把多边形转换为NURBS曲面 曲面分析（公差分析等） 输出与CAD/CAM/CAE匹配的文件格式
1.6 逆向工程常用软件介绍

三坐标测量机——测量软件
专用测量软件：是针对某种具有特定用途
的零部件的测量问题而开发的软件。
附加功能软件：为增加三坐标测量机的功
能和用软件补偿的方法提高测量精度提供 的软件，有附加驱动软件、最佳配合测量 软件、统计分析测量程序软件、随行夹具 测量软件
2.2 数据处理流程
数据预处理
目的：获得完整、正确的测量数据以方便后 续的造型工作。
第2章 逆向工程数据测量 与处理
2.1 2.2 2.3
数据测量方法与特点 数据处理流程 数据测量与处理实例
2.1 数据测量方法与特点
类 型
三 坐 标 测 量 机 (CMM)
按结构形式分为：移动桥式、 龙门式、悬臂式、水平臂式、 坐标镗床、卧式镗床和仪器台 式等
——
三坐标测量机（CMM） —— 测量原理
转用创新类：将已知的解决方案转用于另一类技术 领域，并产生出新的效果 利用性质类：利用常见的性质进行发明、利用性质 组合进行发明、利用不常见的性质进行发明、通过发 现客观世界的性质进行发明创造、发现涵盖一类现象 的理论进行发明创造
3、创新设计的方法
就地出发型：需求适应法，希望实现法、缺点 消除法、更材易质法、由此思彼法、联想推广法、 类似比较法、仿生法、迂回转向法 多项扩散型：扩展功能法、系统搜索法、分解 组合法
数字模型重构
NURBS(B-Spline) 三角曲面 三角面片
1.4 逆向工程系统的组成
系统
几何外形数字化
• 产 品 制 造 设 备
CAD模型重构
CAD/CAE/CAM
产品或模具制造
CAD/CAE/CAM • • • 数 据 处 理 测 量 机 与 测 量 探 头
•
快 速 成 加 软 型 工 件 机 设 备
6、支持创新的逆向建模方法

参数化、变量化建模
重建的曲面模型
特征库 平面、球、 椭圆、二 次曲面等 特征操作：求交、裁剪、过渡等 几何特征 …… 几何特征
几何特征
二维约束图
二维约束图
……
二维约束图
1.6 逆向工程常用软件介绍
1、具有代表性的逆向软件：
ImageWare Surfacer、Geomagic、 Paraform、 Quick Shape、Copy CAD、 Surface Reconstruction、DigiSurf、 Mimics、SurfaceStudio
相关数字化测量技术、几何模型重建
技术和产品制造技术的总称。
1.2 逆向工程的应用
设计物理模型到数字模型的转换
引进技术的吸收消化和再创新
试验模型转换成数字模型
艺术品、文物复制
医学应用（骨头、关节、牙齿、假肢）
服装、鞋子、头盔、首饰的定制
复杂型面制造质量的检测
1.3 逆向工程的工作流程
测头附件——连接器
为了将探针连接 到测头上、测头 连接到回转体上 或测量机主轴上， 需采用各种连接 器。常用的有星 形探针连接器、 连接轴、星形测 头 座 等 。
测头附件——回转附件
对于有些工件表面 的检测，比如一些 倾斜表面、整体叶 轮叶片表面等，仅 用与工作台垂直的 探针探测将无法完 成要求的测量，这 时就需要借助一定 的回转附件，使探 针或整个测头回转 一定角度再进行测 量，从而扩大测头 的功能。
逆向工程与快速成形技术
第1章 逆向工程技术概述
1.1 逆向工程的定义 1.2 逆向工程的工作流程 1.3 逆向工程系统的组成
1.4 逆向工程与产品创新
1.5 逆向工程常用软件介绍
工程需求
设计
工业设计？ 样品？
样机
如何快速 制造？
生产
小批量？
图档
试验
产品
逆向工程、快速成形、快速模具 是产品快速开发技术！
•CNC
•CAE
工台件 外向件 向件 是模 作有。 ，工； 功； 用型 站个支 还程三 能二 于重 。人撑 要软是 模是 正建 计的 件专 块集 向软 算硬 ，用 的成 设件 机件 等。的 正有 计： 和平 软此逆 软向逆 软的一 PDM
1.5 逆向工程与产品创新
1、创新设计的定义
是指充分发挥设计者的创造力，利用人类

3、工作流程：
3D扫描 •扫描对齐 •扫描整理 •噪音减小 •采样
目标 组合扫描 光滑数据 目标 光滑曲面 整理边界 目标 规则化 现状调整
点阶段
多边形阶段
成形阶段
•基于曲率的孔填充 •多边形编辑 •边界修补 •特征构建 •特征识别 •特征线选取 •边界构建 •面片组织
CAD/CAM/CAE
X向加力机构是利用电 磁铁6推动杠杆5，使其 绕十字片簧8的回转中心 转动而推动中间传力杆7 围绕波纹管4组成的多向 回转中心旋转，由于中 间传力杆与转接座17用 片簧相连，因而推动测 头在X方向“预偏置”。 Z向加力机构是利用电 磁铁9产生的，当电磁铁 作用时，在Z向产生的 上升或下降会通过顶杆 12推动被悬挂的Z向的 活动导轨板，从而推动 测头在Z方向“预偏 置”。
传统正向设计方法－过程
需求 分析 概念 设计 可行性 分析？ No 详细 设计 样机试制 工艺 规划 初步 设计
Yes
是从构思到数字 模型，再到产品（实 物）的演化过程
设计与制造 信息描述 制 造
传统正向设计方法－表达
设计信息可用参数精确描述
逆向工程技术的产生
逆向工程的定义
逆向工程（Reverse Engineering ， RE ）是将实物模型转变为 CAD 模型的
在CMM和CAD/CAM系统之间以IGES格式传输 数据成为标准的选择和配置。
2、球头半径补偿
二维自动补偿方法：
在测量时，将测量点和 测头半径的关系都处理成 二维情况，并将半径计算 编入测量程序中，在测量 时自动完成数据的测头补 偿。 根据补偿时间可分为 实时自动补偿和事后数据 处理补偿。
主要工作：格式转换、数据过滤及平滑、分 块数据整合对齐、球头半径补偿、数据精简、数 据分割
1、格式转换
每一个CAD系统都有自己的数据文件，其系统内部 产品模型的数据结构和格式各不相同，极大地影响 了设计和制造各部门之间或企业之间的数据传输和 程序衔接的自动化，给数据通讯带来困难。 主要的数据交换标准：IGES、STEP、STL等。
1、工作流程
实物 模型 形状数字 化测量 CAD模型 重建
CAE分析 快速原型
工艺规划 制造
是从实物到数字模型，再到产品 （实物）的演化过程
2、逆向工程的信息表达
形面构成复杂，设计信息难以 用参数精确描述
3、研究内容
逆向工程
型面数据测量
CMM 激光扫描 结构白光
测量数据处理
点云数据拼合 特征边界提取 数据精简等
由激光器 2 发出的 光，经聚光镜 3 形成很 细的平行光束，照射到 被测工件 4 上（工件表 面反射回来的光可能是 镜面反射光，也可能是 漫反射光，三角法测头 是利用漫反射光进行探 测的），其漫反射回来 的光经成像镜 5 在光电 检测器1上成像。
光学测头——特点


1）由于不存在测量力，因而适合于测量各种软的和 薄的工件；2）由于是非接触测量，可以对工件表面 进行快速扫描测量；3）多数光学测头具有比较大的 量程，在离工件表面很远的地方（如40mm～100mm） 也可对工件进行测量，且测头的测量范围也较大（如 ±5mm～±10mm）。这是一般接触式测头难以达到 的；4）可以探测工件上一般机械测头难以探测到的 部位。最大的优点就是工作距离大， 不过三角法测头的测量精度不是很高，其测量不确定 度大致在几十至几百微米左右。
5、逆向创新设计过程
数字化

模型重建
创新设计
下游过程

创新设计应满足下列要求：满足内部结构要求；模型 可方便地修改；有支持创新的CAD系统（决策、人工 智能、知识库） 目前，模型重建的主要方式是拟合曲面片，然后再建 立产品的曲面整体以及实体模型。这种建模方式对恢 复原型是有效的。但对模型进行修改或再设计，操作 起来就显得十分困难。因此，需要寻求新的模型表达 及建模方法。
测头附件——测端
为了扩大测头 功能、提高测 量效率以及探 测各种零件的 不同部位常 需为测头配置 各种附件，如 测端、探针、 连接器、测头 回转附件等。
测头附件——探针
探针是指可更换的测杆。在有些情况下，
为了便于测量，需选用不同的探针。探针 对测量能力和测量精度有较大影响，在选 用时应注意：1）在满足测量要求的前提下， 探针应尽量短；2）探针直径必须小于测端 直径，在不发生干涉条件下，应尽量选大 直径探针；3）在需要长探针时，可选用硬 质合金探针，以提高刚度。若需要特别长 的探针，可选用质量较轻的陶瓷探针。