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第9章 逆向工程与快速成形技术 Reverse Engineering and Rapid Prototyping Technology
适用班级：090108班 主讲教师：李 明 二〇一一年四月
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9.1逆向工程 9.1.1 逆向工程原理 逆向工程技术（Reverse Engineering，RE，也称为反求工程、反向工程），是指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。 逆向工程技术综合了三维测量、计算机辅助设计、快速成形等高新技术。是从产品原型出发，进而获取产品的三维数字模型，使得能够进一步利用CAD/CAE/CAM等先进技术对其进行处理。 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。
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逆向工程技术与传统的正向设计存在很大差别。
传统的产品设计一般需要经过设计任务→设计造型→加工制造→产品实体的设计过程。 逆向工程则是从产品原型出发，进而获取产品的三维数字模型，使得能够进一步利用CAD/ACE/CAM等先进技术对其进行处理。
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9.1.2逆向工程方法 逆向工程设计综合了三维测量、计算机辅助设计、快速成形等高新技术，对样品、模型进行高速精确的(激光)扫描，得到其三维轮廓数据，结合专门的逆向工程软件进行三维设计重构，生成实体，通过快速成形及硅胶复模、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，并且有效地避免了风险、缩短了工业设计的周期。
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传统正向设计从概念设计到最终形成CAD模型是一个从无到有的过程，而逆向工程对现有零件原形数字化再形成CAD模型，是一个推理、逼近的创新过程。
1.快速准确测量出实物零件或模型的三维轮廓坐标数据（数据采集） 常用三维数据测量方式可分为接触式三坐标测量和非接触式激光扫描测量以及逐层扫描测量等方式。 接触式测量方法通常采用三坐标测量机或机器人手臂进行测量，需接触被测物体的表面； 非接触式测量方法则采用声、光、电或磁等现象进行测量，测量时物体表面无机械接触。
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测量装置多采用坐标测量机，也有一些应用是在数控铣床或机器人末端安装测量部件完成数据采集工作。
根据测量部件与被测量物体的位置关系，可以分为接触式和非接触式两大类。 图9-4 接触式三坐标测量机 图9-5 非接触式激光扫描抄数机 图9-6 接触式关节臂三坐标测量机
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接触式测量的优点是： 1）准确性及可靠性高； 2）对被测物体的材质和反射特性无特殊要求，不受工件表面颜色及曲率的影响。 接触式测量的缺点是： 1）测量速度慢； 2）接触头易磨损，故需经常校正探头直径； 3）不能对软质材料和超薄形物件进行测量，而且对细微部分的扫描受到限制等。 激光扫描材料的特点是： 速度快，测得的点和数据量大，可以充分表示零件的表面信息； 扫描探头不接触零件表面，因而可对高精密的软质、薄形工件进行测量； 适合测量大尺寸、具有复杂外部形状的零件。
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2.根据三维轮廓数据重构曲面并建立CAD模型（重构曲面模型）
曲线、曲面拟合是逆向工程的另一个核心技术，即用处理的数据重构曲面模型，从而实现对零件的分析和加工。 图9-7 实物-数据采集-数据处理-三维造型过程
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目前常用的通用逆向工程软件有Surfacer、Cimatron、Geomagic等，此外，一些大型参数化CAD软件也为逆向工程提供了设计模块。例如Pro/E、UG等软件的一些模块也可以接受点云数据进行三维实体模型重构。 图9-8 基于三维激光扫描技术的三维造型
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图9-9 用UG软件设计的三维造型图
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（1）产品仿制 （2）新产品设计 （3）旧产品改进 （4）损坏或磨损产品的还原 （5）数字化模型的检测 （6）其它应用
9.1.3 逆向工程技术的应用 （1）产品仿制 （2）新产品设计 （3）旧产品改进 （4）损坏或磨损产品的还原 （5）数字化模型的检测 （6）其它应用
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9.1.4 逆向工程应用实例 1.油壶三维数据获取
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2.数据处理及三维模型的重构 ↑图9-12 油壶三维激光扫描采集的数据点云图 ↗图9-13 在Pro/E中设计的油壶线框实体模型
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9-15 采用逆向工程技术和挤出-吹塑工艺制造的塑料油壶
3.吹塑模具加工及油壶挤出-吹塑成形 9-15 采用逆向工程技术和挤出-吹塑工艺制造的塑料油壶
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9.2 快速成形技术 9.2.1快速成形技术概述 根据计算机辅助设计所产生的零件三维数据进行处理，按高度方向离散化（即分层），用每一层的层面信息来控制成形机对层面进行加工，当一层制作完后，再制造新的一层，这样层层堆积、重复进行，形状不断增加，直至整个零件加工完毕。 *模型制作定向 *分层处理 *加支撑 图9-16 快速成形技术工艺过程示意图 CAD造型系统 STL模型 CAD模型 加工文件 快速成形系统 数据准备处理 成型过程 成型制作 *实体造型方法 *STL输出接口 *其它数据接口 成型零件
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快速成形具有以下鲜明的特点： 目前国内外的快速成形方法主要有： 1）数字化制造。 2）高度柔性和适应性。 3）直接CAD模型驱动。
4）快速，生产的周期短。 5）材料类型丰富多样。 目前国内外的快速成形方法主要有： 1）SLA（Stereo lithography,光固化成形法，又称树脂型)； 2）LOM（Laminated Object Manufacturing,叠层法，又称切纸型)； 3）SLS（Selective Laser Sintering,激光烧结法，又称烧粉型)； 4）FDM (Fused Deposition Modeling,熔融挤压形法，又称喷丝型)； 5）3DP（3-D Printing,三维打印法,又称粘粉型)。
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1.光固化成形法
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2.叠层法
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3.激光烧结法
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4.熔融挤压成形
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5.三维打印法
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表9-1不同的RP工艺的比较
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9-2逆向工程技术与传统的复制方法相比有哪些优点？
复习思考题 9-1试述逆向工程技术的方法。 9-2逆向工程技术与传统的复制方法相比有哪些优点？ 9-3试述逆向工程技术在工业设计中的应用。 9-4试述快速成形制造的基本原理。 9-5快速成形制造与传统的机械加工相比有哪些优点？ 9-6在工业设计中如何应用快速成形技术？ 23
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