1、 关于逆向工程课题的预习工作 1.何为逆向工程。 逆向工程（又称反向工程） ，是一种技术过程，即对一项目标产品进行逆向 分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能性能规 格等 设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。逆向工程源于商业及 军事领域中的硬件分析。其主要目的是，在不能轻易获得必要的生产信息下， 直接从成品的分析，推导出产品的设计原理。如下图 1.1，1.2 所示。逆向工程 简单来说就是用逆向思维进行反推的过程。 1.1 正向设计流程图 实体模型 点云数据 CAD 建模 N 快速原型 评估 Y 制造 1.2 逆向工程设计流程图 2.通过逆向工程能做什么 1）.
2、目前逆向工程在制造领域使用广泛。简单说，主要有以下方面： .汽车和飞机的外型设计。 .模具设计及制造。 .仿形设计。 .医学领域。 .快速原型制造。 .文物工艺品复制。 .电视电影的 3D 造型。 2）.逆向工程和传统的设计方式有众多优点： .降低成本。 .缩短设计周期。 .学习及消化先进设计经验、技术。 .提高生产效率。 .提高设计水准。 3）.逆向工程存在问题： .测量方法中的实际问题。 .数据处理问题。 .曲面重构问题。 .逆向工程无法超越原有的零件，简单的模仿无法了解到产品最初的 设计思想。 4）.联系实际和本专业相关模具联系起来，有以下优点： .降低模具制造成本。 .提高模具生产效率
3、。 .减少修模量。 .提高模具行业整体技术含量。 5）.我对逆向工程的评价：逆向工程发展飞快，前景很好。但是我从种种 资料字里行间发现，国内逆向工程所做的 CAD 模型还仅限于几何外形的重构， 只能说高效但谈不上精确。相对落后的国家为了在短期内追上较发达国家，提 高自身的竞争力，逆向工程的使用就是必然的，它可以大幅度缩短研发周期， 节省大量实验费用。但结合中国国情，逆向工程在中国可以难听点叫山寨，故 逆向工程可能会被误认为是对知识产权的严重侵害。 3.逆向工程关键部分的简单介绍 1).数据测量仪器及其测量方法。如图 1.3 所示 1.3 测量方法结构图 我曾去实验室一次，据我观察，实验室内有一
4、台非接触式和接触式测量设 备。非接触式测量设备应该是结构光三维扫描仪，接触式测量设备应该是三坐 标测量机。如图 1.4 和 1.5 所示，两种方法具体比较。 1.4、1.5 接触式和非接触式测量方法对比 长话短说，激光扫描仪简单好用快速但精度低，受被测样件的颜色、材质 和反射特性影响大。三坐标测量机精度高但速度慢，对于形状复杂的工件数据 处理麻烦。 2）得到的点云数据还要经过模型重建软件才能得到所需的 CAD 模型。因 此模型重构软件的优劣是逆向工程中的重中之重。下面介绍几个常见的专业软 件：imageware ，geomagic studio，copyCAD，rapidform 等。 ima
5、geware 在逆向工程的方面使用最为广泛，提供了从扫描输入、点 云处理、曲面拼接、光顺、形成 class A 曲面、无缝连接 CAX 系列、直到 检测的完整的逆向工程解决方案。它处理数据的流程遵循点曲线曲面 原则，简单清晰，便于使用，其流程图见图 1.6，imageware 可以处理几万 至几百万的点云数据。根据这些点云数据构造的 Class A 曲面具有良好的品 质和曲面连续性。Imageware 模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的 曲面模型和实际测量数据之间的误差以及面度、圆度等几何公差。但这软 件必须在 UG 内才能使用，可惜我电脑装了一个学期都装不成 UG（应该是 电脑系统设置
6、问题） ，所以现在电脑里用的是下个介绍的 geomagic。 1.6 imageware 工作流程图 geomagic studio 提供了数据测量、数据网格化、曲面构建、网格压缩 等功能程序包，在曲面重建时，可以给予网格识别特征并进行特征分会计 曲面参数化，是目前对点云处理及三维曲面构建功能最强大的软件。 copyCAD 是英国 DELCAM 公司 CAD 系列产品中的一个，主要处理测 量数据的曲面造型。作为系列产品的一部分，copyCAD 和系列中的其他软 件可以很好地集成。copyCAD 提供了特征曲面的识别功能，主要处理测量 数据的曲面造型，涵盖了从设计到制作、检测的全过程。 rapi
7、dform 是韩国开发的逆向工程软件，主要用于处理测量、扫面数据 的曲面建模以及基于 CT 数据的医疗凸现建模，还可以完成艺术品的测量建 模以及高级图形的声称。它提供有一整套模型分割、曲面生成、曲面检测 的工具，用户可以方便的利用以前构造的曲线网络经缩放处理后使用到新 的模重构过程中。 以上介绍的是目前常见的逆向工程软件，在国内能够见到的商品化的逆向 工程软件均是泊来品。国内对逆向工程软件方面的研究也就主要集中在几 间高校：清华大学、浙江大学、南京航空航天大学。 4.何为快速成型技术（Rapid Prototyping Manufacturing） 快速成型技术借助计算机、激光、精密传动和材料
8、等现代手段,直接将计算 机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)集成一体,根据计算机上构造的三维模 型,能在很短时间内直接制造出产品样品。不需机加工设备或者模具即可快速制 造形状极为复杂的工件,从而在小批量产品生产或新产品试制时节省时间和初始 投资。快速成型技术使用非常广泛,尤其在汽车制造,航天航空,建筑,家电,卫生 医疗及娱乐等领域有强大的使用。 5.快速成型技术 RP 系统可分为两大类： 基于激光或其它光源的成型技术， 如： 立体光造型（SL） 、分层实体制造 （LOM） 、选择性激光烧结（SLS） 、形状沉积制造（SDM）等； 基于喷射的成型技术，如：熔融沉积制造（FDM） 、三维
9、打印制造（3DP）等。 光固化成形 SLA(Stereo lithography Apparatus)工艺也称光造型、立体光刻 及立体印刷，其工艺过程是以液态光敏树脂为材料充满液槽，由计算机控制激 光束跟踪层状截面轨迹，并照射到液 槽中的液体树脂，而使这一层树脂固化， 之后升降台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，然后再进行新一 层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层 上，如此重复直到整个零件制造完 毕，得到1个三维实体模型。该工艺的特点是：原型件精度高，零件强度和硬度 好，可制出形状特别复杂的空心零件，生产的模型 柔性化好，可随意拆装，是 间接制模的理想方法。缺点是需要支撑，树脂收缩
10、会导致精度下降，另外光固 化树脂有一定的毒性而不符合绿色制造发展趋势等。 分层实体制造 LOM(Laminated Object Manufacturing)工艺或称为叠层实体制 造，其工艺原理是根据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所获得的层片粘 接成三维实体。其工艺过程是： 首先铺上一层箔材，然后用 CO，激光在计算 机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切碎以便于去除。当本层完成后，再 铺上一层箔材，用滚子碾压并加热，以固 化黏结剂，使新铺上的一层牢固地粘 接在已成形体上，再切割该层的轮廓，如此反复直到加工完毕，最后去除切碎 部分以得到完整的零件。该工艺的特点是工作可 靠，模型支撑性好，成
11、本低， 效率高。缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。 选择性激光烧结 SLS(Selective Laser Sintering)工艺，常采用的材料有金属、 陶瓷、ABS 塑料等材料的粉末作为成形材料。其工艺过程是：先在工作台上铺 上一层粉末，在计算机控制下用 激光束有选择地进行烧结(零件的空心部分不 烧结，仍为粉末材料)，被烧结部分便固化在一起构成零件的实心部分。一层完 成后再进行下一层，新一层和其上一层 被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后， 去除多余的粉末，便得到烧结成的零件。该工艺的特点是材料适应面广，不仅 能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等 材料的零件。造型精度高，原
12、型 强度高，所以可用样件进行功能试验或装配模拟。 熔融沉积制造 FDM(Fused Deposition Manufacturing)工艺又称为熔丝沉积成 型，其工艺过程是以热塑性成形材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压头熔 化成液体，由计算机控制挤压头 沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的 热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时间内迅速 凝固，形成一层材料。之后，挤压头沿轴 向向上运动一微小距离进行下一层材 料的建造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。该工艺的特点是 使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程 度原型仅需要几个小时即可 成型，且无污染。
13、6.逆向工程和快速成型一体化技术 在逆向工程设计过程的生产终端上结合目前先进的快速成型技术是目前的研究 热点,逆向工程和快速成型技术的综合使用目前已发展成为CAD/CAM系统中相对 独立的研究领域。二者的结合使用既可节约设计时间,又可节约设计成本,同时 提高了产品的设计质量和精度。逆向工程和快速成型技术的综合使用主要在逆 向工程技术使用过程中的实物或产品的三维数据测量、测量数据的预处理、三 维模型的数据重构、数据误差分析及数据的对应格式输出和快速成型技术使用 过程中快速成型方法和设备的选择、数据格式的转化、快速成型的加工及精度 控制这些操作的结合和相互之间影响和制约如图1.7。 下面我简单地总
14、结并结合其他资料解释第五点内容： 1）.快速性。通过STL格式文件，RPM系统几乎可以和所有的CAD造型系统无 缝连接，从CAD模型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时，大幅度缩短新 产品的开发成本和周期。可减少产品开发成本30%70%，减少开发时间50%，甚 至更少。 2）.高度柔性化。快速成型系统是真正的数字化制造系统，在整个制造过 程，仅需改变CAD模型或反求数据结构模型，对成型设备进行适当的参数调整， 即可在计算机的管理下制造出不同形状的零件或模型，特别适合新品开发或单 件小批量生产。 3）.技术高度集成化。快速成型技术是计算机技术、数控技术、控制技术、 激光技术、材料技术和机械工程
15、等多项交叉学科的综合集成。它以离散/堆积为 方法，在计算机和数控技术基础上，追求最大的柔性为目标。 4）.设计制造一体化。一个显著特点是CAD/CAM一体化。由于采用了离散/ 堆积的分层制造工艺，能够很好地将CAD、CAM结合起来。 5）.制造自由成型化。它可根据零件的形状，不受任何专用工具或模具的 限制而自由成型，也不受零件任何复杂程度的限制，能够制造任何复杂形状和 结构、不同材料复合的零件。RPM技术大大简化了工艺规程、工装设备、装配等 过程，很容易实现由产品模型驱动的直接制造或称自由制造。 6）.材料使用广泛性。金属、纸张、塑料、树脂、石蜡、陶瓷甚至纤维等 材料在快速原型制造领域已有很好
16、的使用。 1.7逆向工程和快速成型一体化技术流程图 6.逆向工程和快速成型一体化技术在模具制造中的使用 1）.间接快速制模技术（IRT） 间接快速制模技术是将快速成型技术和传统的成型技术有效地结合，实现 模具的快速制造。 间接快速制模技术通常以非金属材料为主（如纸、ABS工程塑料、蜡、尼龙、 树脂等） 。通常情况下，非金属成型无法直接作为模具使用，需要以RP（Rapid Prototyping）原型作母模，通过各种工艺转换来制造金属模具。而间接制模一般 可以使模具制造成本和周期下降一半，明显提高了生产效率。 2）.直接快速制模技术（DRT） 对于单件小批量生产，模具的成本占有很大的比重，而修模
17、占近 1/3，因 此小批量生产的成本较高。较好的解决方法就是采用快速成型直接制造模具， 可在几天之内完成非常复杂的零部件模具的制造，而且越复杂越能显示其优越 性。 基于 LOM（Laminated Object Manufacturing）基础的金属板材堆积成型 工艺。以 LOM 工艺为基础，直接采用金属片材为材料，通过激光切割、焊接或 粘接金属片材成型金属零件。 基于 SLS(Selective Laser Sintering)基础的金属粉末堆积成型工艺。该 类工艺主要是采用激光烧结或粘接剂粘接金属粉末成型，典型代表是 SLS 工艺。 基于 FDM（Fused Deposition Mode
18、ling）基础的金属丝材熔融堆积工艺。 首先将能用 FDM 成型的金属粉和粘接剂掺匀，然后挤压成具有足够弯曲度和粘 接度的金属丝材供 FDM 设备成型使用。金属材料包括不锈钢、钨及碳化钨。 会说到快速成型技术的原因是因为我在实验室里看到了一台快速成型机和 利用它所做的模型。逆向工程，它还仅限于设计层面。要使它得以实现，得和 其他技术连接上，其中就包括快速成型技术。我不清楚逆向工程跟快速成型是 否是最佳搭档，因为所查资料里都理所当然地把他们联系起来，相信其他专家 是这么想的。但综合上述资料逆向工程和快速成形一体化技术使用广泛，开发 周期短等等，然而它不适合工业化大批量生产。 7.拟遇到的问题 可
19、能遇到的问题好多，但是归纳一下也就只有下面 1、2 两点，3 是我在认 真思考之后很沉重地写下的。 1）.数据处理问题。 2）.曲面重构问题。 3）.逆向工程很难了解到产品最初的设计思想。 8.我通过逆向工程能做到的事情 用逆向工程做的事情只有通过逆向工程比较容易实现的事情而已，如果正 向更简单的话就用不着逆向了。 而且为了让研究方向来得更清晰，效果显著，所以我想通过逆向工程反求 生活中常见、常使用的东西。 如饮料罐，通过逆向工程得到饮料罐的数据，重建其三维实体模型，再进 行修改点、曲线、曲面。使饮料罐在容积不变的情况下节约材料，当然也要美 观、符合人体工程学。 比较简单的设计如鼠标等，从无到有，只要使用逆向工程我能做的来。 并且逆向工程强化我们的逆向思维，只要突破瓶颈后，看待事物的方式就 多了一种途径。正向、反向。 设计在我看来是方法论和世界观在拥有实际形体的物体上的具现化。方法 论和世界观的来源是生活，若能通过多种方式看待确实存在并通过五感感应的 事物，方法论和世界观必定能得到某种程度的提升，进而反馈在自己的设计之 上。 因此，我通过逆向工程能做到的事情不被单纯的物理上的物体束缚。我能 通过逆向工程在原有的基础上进行设计，更能利用逆向工程提高自己再进行设 计，使经我手的设计都带有我的意识。
