3逆向工程

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第四章模具成型表面的无屑加工技术目的与要求1.掌握模具无切削加工方法的种类；2.掌握冷挤压加工、熔模铸造方法及工艺3.掌握三维逆向工程在模具中的应用4.了解快速成型的方法与应用 第四章模具成型表面的无屑加工技术第一节型腔的冷挤压加工第二节超塑成形工艺第三节铸造制模技术第四节合成树脂模具的制造 7.1三维数字化检测及逆向工程一、逆向工程概述随着工业技术的进步以及经济的发展，在消费者高质量的要求下，功能上的需求已不再是赢得市场的唯一条件。产品不仅要具有先进的功能，还要有流畅、造型富有个性的产品外观，以吸引消费者的注意。流畅、造型富有个性的产品外观要求必然会使得产品外观由复杂的自由曲面组成。然而传统的产品开发模式（即正向工程）很难用严密、统一的数学语言来描述这些自由曲面。第七节三维逆向工程下一页返回上一页 第七节三维逆向工程下一页返回上一页为此，为适应现代先进制造技术的发展，需要将实物样件或手工模型转化为CAD数据，以便利用快速成形系统（RP）、计算机辅助制造系统(CAM)、产品数据管理（PDM)等先进技术对其进行处理和管理，并进行进一步的修改和再设计优化。此时，就需要一个一体化的解决手段：样品数据样品。逆向工程就专门为制造业提供了一个全新、高效的重构手段，实现从实际物体到几何模型的直接转换。作为产品设计制造的一种手段，在20世纪90年代初，逆向工程技术开始引起各国工业界和学术界的高度重视。 第七节三维逆向工程下一页返回上一页逆向工程（Reverseengineering，简称RE）,也称反求工程、反向工程等。逆向工程起源于精密测量和质量检测，是80年代发展起来的反向的产品设计思想，是消化和吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合，它以已有的产品或技术为研究对象，将已存在的产品模型或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已存在的产品进行解剖、深化和再创造，是在已有设计基础上的再设计。逆向工程是集测量技术、计算机软硬件技术、现代产品设计与制造技术的综合应用技术，是设计下游向设计上游反馈信息的回路。其中三维数字化测量是这个过程的基础。 利用电脑辅助设计软件重建原始模型经过逆向工程重建的实体效果图 实物样件的三维数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取样件表面立三点的几何坐标数据。只有获取样件的表面三维信息，才能实现复杂曲面的采集、评价、改进、制造。因此，如何高效、高精度的获取样件表面的三维数据，一直是逆向工程研究的内容之一。目前，已出现了多种测量方法。根据测量时测头和被测表面之间的位置关系，样件的三维数据采集方法可分为接触式和非接触式两大类，接触式有点位测量式和连续扫描式数据采集和基于磁场、超声波的数据采集等。非接触式有激光三角测量法、立体视觉法、激光测距法、光干涉法、结构光学法、图像分析法、CT法等。二、三维测量方式及原理第七节三维逆向工程 第七节三维逆向工程下一页返回上一页1.接触式测量法接触式数据采集方法是用机械探头接触表面，机械臂关节处的传感器确定相对坐标位置。用于接触式数据采集的机器人装置有很多种。最常见的接触式数据采集方法是坐标测量机（CMM），通常是三坐标测量机。坐标测量机使其接触探头沿被测表面经过编程的路径逐点捕捉表面数据。测量时，可根据实物的特征选择测量位置及方向，测得特征点数据。 第七节三维逆向工程下一页返回上一页(1)三坐标测量机的测量方式有以下几种分类：按工作方式分为点位测量和连续扫面测量；按总体布局结构可分为悬臂式、桥式、龙门式、立柱式、坐标镗床式等；按测量机的测量范围可分为大型、中型和小型；按精度分为精密型和生产型。 第七节三维逆向工程下一页返回上一页(2)三坐标测量机由以下几部分构成：①测量机主体主体运动部件：X轴移动的主滑架、Y向移动的副滑架、Z向移动的底座及测量工作台。②测量系统包括侧头和标准器，金属光栅或增量光栅为标准器，光学读数头用于各坐标轴数据测量。③控制系统和数据处理系统包括计算机(控制中心)、软件系统、专用程序。三坐标测量机实例，图4-26(自学)三坐标测量机的规格品种很多，但基本组成主要为测量机主体、测量系统、控制系统和数据处理系统，分述如下： 第七节三维逆向工程下一页返回上一页(3)三坐标测量机的操作方式及应用实践①三坐标测量机的操作方式，这里只介绍点位测量，一般有三种测量方式:直接测量方式：手动测量程序测量方式：程序初始化、侧头管理和零件管理及关闭文件自学习测量方式： 第七节三维逆向工程下一页返回上一页②三坐标测量机的实践应用测量前必须根据被测件的形状特点选择探头并进行触头的定义和校验，对被测件的安装位置进行找正。触头的定义和校验：零件找正：步骤测量：直线坐标测量、平面坐标、高度关系、曲面轮廓、三坐标、角关系测量。 第七节三维逆向工程下一页返回上一页非接触式数据采集方法利用光、声、磁场等。应用光学原理的方法采集数据，细分有三角形法、结构光法、测距法、干涉法、结构光法、图像分析法和逐层扫描数据法等。非接触式数据采集速度快、精度高，排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题。获得的密集点云信息量大，精度高，最大限度地反映被测表面的真实形状。2.非接触式测量法 第七节三维逆向工程下一页返回上一页一、逆向工程及其运作过程7.2逆向工程及其在模具制造中的应用1.顺向工程传统工业产品开发均是按严谨的研究开发流程，从确定预期功能与规格目标开始，构思产品结构．然后进行各个部件的设计、制造以及检验，再经过组装、整机检验、性能测试等程序完成整个开发过程，设计者拥有产品开发的完整技术档案，每个零部件都有原始设计图样，按确定的工艺文件加工，零件的尺寸精度要求合格与否由产品检验报告记录分析。 第七节三维逆向工程下一页返回上一页这种开发模式称为预定模式(PrescriptiveModel)，此类开发工作称为顺向工程(FormadEngineering)或正向设计，其开发流程图如下。工程开发流程图顺向工程中产品造型设计加工流程图 第七节三维逆向工程下一页返回上一页2.逆向工程与传统设计制造过程的关系逆向工程中按照现有的零件原型进行设计生产，零件具有的几何特征与技术要求都包含在原型中；传统的设计是根据零件最终所承担的功能以及各方面的影响因素进行从无到有的设计。因此，从概念设计出发到最终形成CAD模型的传统设计是一个确定的明晰过程，而通过对现有零件原型数字化后再形成CAD模型的逆向工程是一个推理、逼近的过程，具有功能导向描述模式(descriptivemode)、系统仿造(systemas--is)以及非所属权系统(non-legacysystem)等特性。 第七节三维逆向工程下一页返回上一页3.逆向工程的运作逆向工程流程图 第七节三维逆向工程下一页返回上一页 第七节三维逆向工程下一页返回上一页逆向工程系统组成:测量探头测量机点数据处理软件CAD/CAM软件CAE软件数控机床快速原型机批量生产设备 第七节三维逆向工程下一页返回上一页逆向工程的前处理——点数据的测量技术。取得所需要的点数据，用于后续的数据建模。逆向工程的后处理：点数据处理曲线处理与分析曲面处理与分析 第七节三维逆向工程下一页返回上一页逆向工程的四个核心步骤：零件原型的数字化：普遍采用三坐标测量机或激光扫描仪来采集物体表面的空间坐标值。从测量数据中提取零件原型的几何特征：依据数据的属性，进行分割、再采用几何特征和识别方法来分析物体的设计及加工特征。零件原型CAD模型的构建：利用CAD软件，把分割后的三维数据作表面模型的拟合，得出实物的三维模型。CAD模型的检验与修正 二、逆向工程常用软件美国Imageware 公司产品Surfacer7.1、英国DelCAM公司产品 CopyCAD、英国MDTV公司的STRIMand SurfaceReconstruction、英国Renishaw 公司的TRACE，在一些流行的CAD/CAM集成系统中也开始集成了类似模块，如Unigrahics 中的PointCloud功能、Pro/Engineering中的Pro/SCAN功能、Cimatron90中的Reverse Engineering功能模块等。在我国，有关反求工程的研究与开发工作也在不少单位内展开，如浙江大学、华中理工大学、西安交通大学、西北工业大学等，并取得一定的成果，如浙江大学推出了Re-Soft软件系统。第七节三维逆向工程 第七节三维逆向工程下一页返回上一页三、逆向工程应用情况在缺少设计文档以及没有CAD模型的情况下，对零件原型进行测量，形成零件的设计图纸或CAD模型．并以此为依据生成数控加工的NC代码，加工复制零件。设计需要通过实验测试才能定型的零件模型，通常采用逆向工程的方法。在美观设计特别重要的领域。各类模具加工企业皆积极引入逆向技术. 第七节三维逆向工程下一页返回上一页另一个重要的应用，如修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等，此时不需要对整个零件原型进行复制，而是借助逆向工程技术抽取零件原型的设计思想，指导新的设计。这是由实物逆向推理出设计思想的一种渐近过程。逆向工程应用领域相当广泛，有模具制造业、玩具业、游戏业、电子业、鞋业、高尔夫球业、艺术业、医学工程及产品造型设计等方面. 第七节三维逆向工程整车保险杠车门引擎盖汽车座椅汽车工业 第七节三维逆向工程3C产品CPU风扇掌上电脑键盘 第七节三维逆向工程运动用品、鞋类运动头盔高尔夫球头楦头鞋底 第七节三维逆向工程医学 第七节三维逆向工程1.以逆向工程为技术支持的模具数控加工图4-29所示为采用逆向工程实现模具数控加工的基本原理。 第七节三维逆向工程2.实现逆向工程的关键技术零件的数字化:通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据数据预处理；数据分块；数据光顺；三角化；数据优化；散乱数据处理计算机辅助反向建模(CARM，ComputerAidedReverseModeling)是通过对测量数据的处理．提取建模所需的有效数据，对零件进行曲面和实体造型，以得到原型的CAD模型。 第八节快速成型制造工艺 1.快速成形技术RP快速成形技术的原理典型的快速成形技术快速成形技术的应用快速原型技术是一种涉及多学科的新型综合制造技术80年代后，随着计算机辅助设计的应用，产品造型和设计能力得到极大提高，然而在产品设计完成后，批量生产前，必须制出样品以表达设计构想，快速获取产品设计的反馈信息，并对产品设计的可行性作出评估、论证快速原型技术的出现，为这一问题的解决提供了有效途径，倍受国内外重视第八节快速成型制造工艺 2.快速成形技术的原理基本过程：是采用软件离散材料堆积的原理，综合利用CAD技术、数控技术、激光加工技术和材料技术，实现零件模型到三维实体原型化制造的一体化加工技术，其基本构思是：任何三维零件都可以看作是许多等厚度的二维平面轮廓沿某一座标方相叠加而成。快速成型加工方式无切削力产生，无须设计复杂的夹具，亦无撞刀及刀具磨耗等问题，任何复杂的形状，只要能在CAD软件绘出，即可由快速原型机自动地「成长」出原型快速成型制造是一种离散/堆积的加工技术 3.几种典型的快速成形技术快速成形技术是快速制造的核心，能在几小时或几十小时内直接从CAD三维实体模型制作出原型，比图纸和计算机屏幕提供了一个信息更丰富、更直观的实体采用该技术能够在产品开发的阶段，全面考虑产品生命周期中的各种因素，力争使开发能够一次获得成功。从而缩短开发周期，提高产品质量，降低成本，避免开发的投资风险，被誉为是并行工程环境的战略工具分层实体制造法（LOM）选择性激光烧结法（SLS）熔融沉积法（FDM）三维印刷法（3DP）激光立体光刻法(SLA) (1)激光立体光刻法（SLA）原理：以液态聚合物（光敏树脂…）为基本材料，以激光或紫外光照射达到固化激光造型装置一直以美国3DSystems公司的SLA型产品独占鳌头，并形成垄断市场激光立体造型制造精度可达±0.1mm，主要用作为产品提供样品和实验模型 （2）分层实体制造法（LOM）原理：以激光或切割刀切割工件外轮廓于被覆有热熔性黏结剂的薄片材料上，外轮廓切割好之后经热压黏结于上一层已切割完成之薄片材料上，如此循环直到工件完成LOM可制作一些光造型法难以制作的大型零件和厚壁样件，且制作成本低廉（约为光造型法的1/2）、速度高（约为木模制作时间的1/5以下），并可简便地分析设计构思和功能 (3)选择性激光烧结法（SLS）原理：以激光照射粉末，被激光照射之处粉末与粉末黏结成型，一层完成之后再照射下一层直到工件完成SLS技术造型速度快（一般制品仅需1天～2天即可完成）、造型精度高（每层粉末最小厚度约0.07mm，激光动态精度可达±0.09mm，并具有自动激光补偿功能）、原型强度高（聚碳酸脂其弯曲强度可达34.5MPa，尼龙可达55MPa），因此，可用原型进行功能试验和装配模拟，以获取最佳曲面和观察配合状况 （4）熔融沉积法（FDM或MEM）原理：类似挤牙膏的方式，加工方式是以加热头熔化线状之热塑性材料，再将热塑性的固体细丝材料由加热头熔化挤出而一层一层堆积成型直到整个工件完成FDM技术的速度快（一般模型仅需几小时即可成型）、无污染，在原型开发和精铸蜡模等方面得到广泛应用 (5)三维印刷法（3DPrintingPrinted，3DP）原理：使用喷嘴喷射粉末黏着剂使得粉末颗粒产生键结，并藉由添加黏着剂以增如粉末间的键结力量。然后高温下渗入金属，密实零件，提高强度 4.快速成形技术在机械制造业的应用产品实体造型快速将CAD模型制成产品概念原型（实体模型），供设计评定和功能验证，取得用户的反馈信息产品检验与实验将功能原型用于产品结构设计检验、装配干涉检验、静力或动力实验…快速模具制造传统的模具制造方法周期长、成本高，一套简单的塑料注塑模具其价值也在10万元以上。设计上的任何失误反映到模具上都会造成不可挽回的损失。快速原型技术可精确制作模具的型心和型腔，也可直接用于注射过程制作塑料样件，以便发现和纠正出现的错误 快速成型制件 快速成型制件 2021年11月４日，美国与加拿大两家公司日前研制成功全球首辆利用３Ｄ打印技术制造的汽车。它实际上是种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。这辆叫作Ｕｒｂｅｅ的双座汽车由美国Ｓｔｒａｔａｓｙｓ公司和加拿大ＫｏｒＥｃｏｌｏｇｉｃ公司联合设计，包括玻璃嵌板在内的所有外部组件都是通过Ｓｔｒａｔａｓｙｓ公司的大型３Ｄ打印设备生产而成。 5.虚拟制造（VirtualManufacturingTechnology，VM）虚拟制造技术是80年代后期提出并得到迅速发展的一个新思想。它以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真虚拟制造技术是在计算机上模拟产品的制造和装配全过程的技术虚拟制造既涉及到与产品开发制造有关的工程活动的虚拟，又包含与企业组织、经营有关的管理活动的虚拟。可以将拟实制造分为虚拟加工、虚拟生产和虚拟企业等三个层次拟实制造技术包括产品全信息模型、支持各层次拟实制造的技术体系、支持各层次集成的产品数据管理技术 虚拟制造的概念及特征虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力虚拟制造系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发与实现过程在计算机上的本质实现，与实际制造相比较，具有如下主要特征:高度集成敏捷灵活分布合作虚拟制造是实际制造的抽象，实际制造是虚拟制造的实例 虚拟制造的体系结构虚拟制造主要包括：虚拟制造技术VMT虚拟企业VE系统集成 虚拟制造技术（VMT，VirtualManufacturingTechnology）虚拟制造技术是一种软件技术，填补了CAD／CAM技术与生产过程和企业管理之间的技术鸿沟，把企业的生产和管理活动在产品投入生产之前就在计算机屏幕上加以显示和评价，使设计人员和工程师能够预见可能发生的问题和后果基于计算机模拟的产品开发环境使人们能够在“真实地生产产品”之前“虚拟地生产产品”。零件生存周期的模拟将提供精确的数据，这些数据排除开发难制造的或不能制造的产品设计AM被称为21世纪美国制造业的发展战略，而其关键技术之一就是虚拟制造技术 虚拟企业（VE，VirtualEnterprise）虚拟企业也称虚拟公司，是虚拟制造环境下的一种企业生产模式和组织模式，是一种企业的合作伙伴关系，这些企业以快速响应市场机遇的快速配套，多重关系的网络形式所组成。虚拟企业是AM的核心AM的主要思想是充分意识到小规模、模块化的生产方式一个公司不追求全能，而追求很有特色的、很先进的局部优势。当市场上新的机遇出现时，组织几个有关公司合作，各自贡献特长，以最快的速度、最优的组合赢得这一机遇，完成之后又独自经营 系统集成系统集成是综合建模和仿真、虚拟企业中产生的信息，并以数据、知识和模型的形式，通过建立交互通信的网络体系，支持分布式的、不同计算机平台的和开放式的虚拟制造环境。其目标是为合作伙伴制造企业的活动提供一个紧密集成的健壮结构和工具，并使虚拟企业共享合作伙伴企业的技术、资源和利益，以达到最大的敏捷性，即“在连续变化的、不可预见的环境里茁壮成长的能力”通过国际互联网络交换合作伙伴之间的信息，是虚拟企业成功的关键问题。在这样一个虚拟企业里的合作伙伴通过建立基于INTERNET的Web服务器，共享产品、工艺过程、生产管理、零部件供应和产品销售、服务等信息。 虚拟制造的关键技术虚拟制造系统是虚拟制造环境下的一种基于计算机仿真技术的多集成的、多学科技术综合应用的制造系统虚拟制造技术：环境构成技术过程特征抽取元模型、集成基础结构的体系结构制造特征数据集成多学科交织功能决策支持工具接口技术虚拟现实技术建模技术仿真技术信息技术… 模具行业虚拟企业模具行业虚拟企业的工作流程如下图 模具行业虚拟企业