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No2Apr第2期（总第225期）2021年4月机 械 工 程 与 自 动 化MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION文章编号= 1672-6413（2021）02-0052-03基于逆向工程的复杂工艺品设计及快速成型櫜夏会芳，汤剑，张琳琅，苏秀芝（武汉华夏理工学院智能制造学院，湖北武汉430223）摘要：为解决复杂工艺品的逆向建模及成型问题，以兵马俑人俑工艺品为例，应用三维激光扫描设备、Geomagic Wrap 软件、Geomagic Design X 软件、Geomagic Control X 软件和3D 打印技术进行逆向设计和快速成型，实现模型的快速复制，提高了复杂型面产品的开发能力，降低了产品的研发成本。
关键词：逆向工程；工艺品；快速成型中图分类号： TP3917 文献标识码： A0 引言1. 1 扫描前处理逆向工程（Reverse Engineering ）也称反求工程或 逆向设计，是将已有产品模型（实物模型）转化为工程 设计模型和概念模型，并在此基础上解剖、深化和再创 造的一系列分析方法和应用技术的组合［1］。
逆向工程的过程大致如下：首先由数据采集设备 获取样件表面数据，其次导入专门的数据处理软件或 带有数据处理的三维CAD 软件进行前处理，然后进 行曲面和三维实体重构，在计算机上复现实物样件，并 在此基础上进行修改和创新设计，最后对再设计的对 象进行实物制造。
其中从数据采集到CAD 模型的建 立是反求工程中的关键技术。
本文以兵马俑人俑工艺品为研究对象，利用逆向 工程技术对人俑模型进行逆向建模。
1人俑三维数据采集本次扫描选用日本柯尼卡美能达三维扫描仪 RANGE7对人俑模型进行数据采集。
柯尼卡美能达 三维扫描仪属于非接触式光学扫描仪，物体表面明暗 程度会影响扫描数据的质量，另外要获得物体表面完 整的数据，需多方位扫描［］。
所以扫描前处理主要是 表面处理、贴标记点。
《逆向工程与快速成型技术》课程标准一、基本信息1．课程地位：逆向工程与快速成型技术是“模具设计与制造专业”的一门专业选修课程，通过本课程学习，学生应掌握逆向工程的基本概念和技术体系，了解学科发展趋势；掌握面向实物样件的数字化、数据处理、模型重建与评价的基本理论与技术；培养学生建立面向机电产品的逆向工程方法论，初步掌握一种支持逆向工程的应用软件工具。
2．课程任务：本课程教学任务是使学生认识逆向工程与正向设计的关系，掌握逆向工程的设计思路；掌握几种快速原型制造工艺，具备面向实物样件的数字化、数据处理、模型重建与评价的基本理论与技术的能力。
3．课程衔接：《数控加工工艺与编程》、《UG设计基础》、《CAD制图》、《三维扫描与逆向建模》等课程。
三、课程目标本课程目的是使学生掌握逆向工程的基本概念和技术体系，了解学科发展趋势；掌握面向实物样件的数字化、数据处理、模型重建与评价的基本理论与技术；培养学生建立面向机械产品的逆向工程方法论，初步掌握一种支持逆向工程的应用软件工具。
四、课程理念1．课程设计原则：围绕专业知识、能力与素质矩阵，根据本课程教学内容，结合后续课程及工程技术岗位的需要，优化课程教学内容，分解课程知识与能力模块，以实施理论与实践双融合教学为理念，借助课堂精讲（或精品课程平台、工厂实际操作视频），完成课程理论知识的教学，以实验设计和生产问题解决形式（课内训练、课外作业）实现动手能力训练。
通过“教、学、做、评一体化”完成该课程教学。
2．课程内容结构：（1）课程项目学习安排：课内以项目讨论学习为主，过课堂教学和应用实践等多个环节，使学生掌握快速成型与快速制模的理论原理、技术方法和工程应用，为今后从事相关领域的科学技术研究，解决工程实际问题奠定坚实的基础。
通过实验，了解逆向工程中原始数据的采集方法和应注意的问题；掌握三维结构光扫描装置的基本操作和相关知识元；掌握Geomagic软件的基本操作。
了解快速成型的原理及其与传统加工工艺的区别；了解不同快速成型方式的优点、缺陷和应用范围。
1.适合大尺寸零件快速成型制造的是：（5.0分）A.熔积成型FDMB.光固化成型SLAC.激光选区烧结成型SLSD.分层实体制造成型LOM我的答案：D √答对2.快速成型技术在新产品开发中的主要用途不包括（5.0分）A.设计模型可视化及设计评价B.零部件修补C.功能验证D.装配校核我的答案：B √答对3.下列快速成型制造工艺中，通常制造成本最高的是：（5.0分）A.熔积成型FDMB.光固化成型SLAC.激光选区烧结成型SLSD.分层实体制造成型LOM我的答案：D ×答错4.下列说法正确的是:（5.0分）A.反求思维在工程中的应用是近几年开始的B.专业分工越来越粗略促成了逆向工程技术的发展C.逆向工程是解决产品如何做得更多的最好途径D.逆向工程是对引进产品进行改进、创新,目的是开发出符合我国国情的先进产品我的答案：A √答对5.1. 曲面的连续性主要有三种形式：G0连续、G1连续与G2连续。
G1连续指的是（5.0分）A.两个曲面桥接相连或者位置连续B.两个曲面相切连续C.两个曲面曲率连续D.两个曲面法向连续我的答案：D ×答错6.2. 不属于专业逆向工程设计的软件是：（5.0分）A.ImagewareB.AutoCADC.Geomagic DesignXD.Copy CAD我的答案：B √答对7.运用分离的方法，把一部分材料有序地从基体上分离出去的成型方法是：（5.0分）A.去除成形B.受迫成形C.堆积成形D.生长成形我的答案：A √答对8.与接触式测头相比，非接触式测头更适用于测量：（5.0分）A.较窄较深的槽壁平面度B.空间棱柱式物体C.复杂未知曲面形状的零件形貌D.仅要求提供规则尺寸测量结果的零件我的答案：C √答对9.关于正向工程说法错误的是:（5.0分）A.设计完成后设计信息无法用参数精确描述B.从构思到数字模型，再到产品（实物）的演化过程C.是对产品实物进行测量和工程分析的过程D.通常是一个“从有到无”的过程我的答案：A ×答错10.下面关于快速成型技术产生背景错误说法是：（5.0分）A.计算机、CAD、材料、激光技术的发展推动了快速成型技术的产生B.快速成型技术于20世纪80年代后期产生于德国C.快速成型技术将CAD/CAM集成于一体，构建三维模型D.快速成型技术改善了人机交流，缩短了开发周期，降低了新产品开发的风险我的答案：B √答对1.1. Geomagic软件的主要功能包括（5.0分））A.自动将点云数据转换为多边形B.快速减少多边形数目C.把多边形转换为曲面D.曲面的公差等分析我的答案：ABC ×答错2.三坐标测量机测量前的准备包括：（5.0分））A.校准探针B.工件找正C.测量机械手臂的调整D.工件表面喷显影剂我的答案：ABC ×答错3.三角网格化模型的特点是:（5.0分））A.模型简单B.能够表示测点的邻接关系C.可以直接用于3D打印D.生成的三角网格应该保证二维流形我的答案：ABCD √答对4.测量过程中因为贴定位片、遮挡等原因导致部分数据测量不完整的解决方案是（5.0分））A.重新测量B.软件中修补C.用游标卡尺量出定位片的长度与宽度D.调整测量环境中的光源照射方向我的答案：CD ×答错5.数字化测量所获取的点云数据类型包括:（5.0分））A.散乱“点云”B.扫描线“点云”C.栅格“点云”D.多边形“点云”我的答案：ABCD √答对1.逆向工程不是简单地将原有物体还原，它是在还原的基础上进行二次创新（5.0分）我的答案：正确√答对2.快速成型技术是将复杂的三维型体转化为二维截面进而完成快速成型制造。
关于“反求工程与快速成型一体化应用研究”的学习总结——机研0804 朱晓博（104972081074）快速成型技术(Rapid Prototyping&Manufacturing,RP&M)是20 世纪80 年代末期发展起来的一项先进制造技术, 它借助计算机、激光、精密传动、精密伺候等现代化手段, 将计算机辅助设计(CAD) 、计算机辅助制造(CAM) 、计算机数字控制(CNC) 集成于一体, 根据在计算机上构造的三维模型, 能在短时间内运用一定材料制造产品样品, 无需传统的机械加工机床和模具的一种添加成型技术[1]。
反求工程技术(Reverse Engineering, RE) 又称逆向工程技术, 是以产品及设备的实物、软件( 图样、程序及技术文件) 或影像(图片、照片)等作为研究对象, 反求出初始的设计意图。
简单说, 反求就是对存在的实物模型或零件进行测量并根据测量数据重构出实物的CAD 模型, 进而对实物进行分析、修改、检验和制造的过程。
这里所指的反求是实物反求。
反求工程是快速成型制造的重要数据来源之一, 将反求工程与快速成型技术相结合, 能够在已有样件或原型的基础上进行复仿制, 进行迅速评价、修改和产品的创新再设计, 并自动快速地将设计转化为具有相应结构和功能的原型产品或直接制造出零部件, 缩短新产品的设计和研制周期, 降低新产品的研制成本和风险, 从而快速响应市场需求, 提高企业竞争力。
作为一种处理难以用CAD 设计的零件模型以及表面形状极不规则的产品模型的最有利的土具, 可以实现零件的快速三维复制、CAD 建模和快速制造。
它与快速成型的结合形成了一个设计、制造、检测的快速设计制造闭合系统。
本文主要讨论反求工程和快速成型的一些技术, 并举出实例。
1 反求工程数据处理的主要内容1.1 数据处理构造CAD 几何模型前, 反求工程大致分三个阶段: 首先对已有三维实体模型进行数据采集(又称零件数字化) , 生成数据“点云”; 然后对数据“点云”进行滤波去噪处理, 去除点云数据中的“坏点”; 最后通过曲面构造技术对数据点云进行曲面拟合, 生成三维曲面模型。
基于逆向工程的快速成型技术应用探讨
作者：机电学院工业设计雾蒙蒙
【摘要】本文主要介绍了逆向工程的快速成型技术应用流程，并重点对导流罩作为实物原形，分析了快速成型技术及快速制模在逆向工程中的应用，以及零件快速成型和模具加工制造等关键技术的研究与探讨。
【关键词】逆向工程导流罩模具加工制造质量评析
逆向工程是对产品设计过程的一种描述。
在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从设计到产品的过程，即设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后在详细设计阶段完成各类数据模型，最终将这个模型转入到研发流程中，完成产品的整个设计研发周期。
这样的产品设计过程我们称为“正向设计”过程。
逆向工程产品设计可以认为是一个从产品到设计的过程。
简单地说，逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品，反向推出产品设计数据（包括各类设计图或数据模型）的过程。
从这个意义上说，逆向工程在工业设计中的应用已经很久了。
比如早期的船舶工业中常用的船体放样设计就是逆向工程的很好实例。
随着计算机技术在各个领域的广泛应用，特别是软件开发技术的迅猛发展，基于某个软件，以反汇编阅读源码的方式去推断其数据结构、体系结构和程序设计信息成为软件逆向工程技术关注的主要对象。
软件逆向技术的目的是用
来研究和学习先进的技术，特别是当手里没有合适的文档资料，而你又很需要实现某个软件的功能的时候。
也正因为这样，很多软件为了垄断技术，在软件安装之前，要求用户同意不去逆向研究。
逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程。
本文以导流罩作为实物原形，分析了快速成型技术及快速制模在逆向工程中的应用。
该项技术大大缩短了新产品的开发和上市周期，实现了产品质量和实际效益的双提高。
逆向工程又称为反求工程，通常用于仿制没有设计图样文件的产品，是对存在的实物模型进行测量，并根据测得的数据重构出数据模型，从而进行分析、修改、检验、加工，然后制造出产品的过程。
传统设计和制造是从图样到零件，而逆向工程的设计是从零件或实物原形到图样。
在产品开发过程中，由于形状复杂，其中包含许多空间曲面很难直接建立数据模型，常常需要以实物模型(样件)为依据或参考原型进行仿型、改型或造型设计。
导流罩是具有复杂空间曲面的对称配合塑料零件，其材质为ABS。
由于零件没有图样和数据模型，同时需要检验对称两个零件的配合情况是否满足使用要求，以及产品设计合格后需要进行模具的设计制造和零件的批量生产。
在只有零件的一个样件的情况下，采用逆向工程的思路，应用快速成型技术及快速制模技术修整零件模型，在零件的形状、尺寸确定之后进行模具的设计制造，再利用模具进行零件的批量生产。
一、零件快速成型
快速成型(RP)技术是20世纪90年代发展起来的一项先进制造技术。
是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术，它对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。
自该技术问世以来，已经在制造业中得到了广泛应用，并由此产生一个新兴的技术领域。
快速成型(RP)技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的，不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。
但是，其基本原理都是一样的，那就是“分层制造，逐层叠加”。
形象地讲，快速成形系统就像是一台“立体打印机”。
快速成型(RP)技术可以在无需准备任何模具、刀具和工装夹具的情况下，直接接受产品设计(CAD)数模的数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型等，由传统的“去除法”到“增长法”，由有模制造到无模制造，快速直接地实现零件的单件生产。
每次制作一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体零件，整个过程是在计算机的控制下，由快速成型系统自动完成。
这种工艺可以形象地叫做“增长法”或“加法”。
自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成型机以来，现在已经有了十几种不同的成形系统，其中比较成熟的有SLA、SLS、LOH和FDH等方法。
快速成型(RP)技术具有制造复杂零件的能力、提高新产品投产的一次成功率、支持同步(并行)工程的实施、支持技术创新并改进产品外观设计以及成倍降低新产品研发成本等优点，可迅速实现单件及小批量生
产，使新产品上市时间大大提前，迅速占领市场。
利用Z—Printer 310快速成型机对零件进行快速成型，快速成型系统操作过程体现了快速成型的特点，通过分层制造、逐层叠加的过程，快速成型系统自动将零件的高度尺寸分成若干层，每一层叠加的厚度为0.01mm，经过分层制造成零件的实物;通过两个对称零件的组合装配，进行零件的实际使用实验：通过使用实物发现其局部形状尺寸的配合存在一些问题，之后对零件的三维数据模型进行修整，确定最终的产品零件模型。
二、模具加工制造
根据最终确定的产品零件模型，进行模具的设计及加工制造，利用三维加工软件对模具的阴模和阳模进行模拟加工，生成NC程序，进行数控加工。
模具满足工作条件要求：
1、耐磨性坯料在模具型腔中塑性变性时，沿型腔表面既流动又滑动，使型腔表面与坯料间产生剧烈的摩擦，从而导致模具因磨损而失效。
模具零件的硬度越高，磨损量越小，耐磨性也越好。
另外，耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大小及分布有关。
2、强韧性:模具的工作条件大多十分恶劣，有些常承受较大的冲击负荷，从而导致脆性断裂。
为防止模具零件在工作时突然脆断，模具要具有较高的强度和韧性。
模具的韧性主要取决于材料的含碳量、晶粒度及组织状态。
3、疲劳断裂性能:模具工作过程中，在循环应力的长期作用下，往往导致疲劳断裂。
其形式有小能量多次冲击疲劳断裂、拉伸疲劳断裂接触疲劳断裂及弯曲疲劳断裂。
模具的疲劳断裂性能主要取决于其强度、韧性、硬度、以及材料中夹杂物的含量。
4、高温性能:当模具的工作温度较高进，会使硬度和强度下降，导致模具早期磨损或产生塑性变形而失效。
因此，模具材料应具有较高的抗回火稳定性，以保证模具在工作温度下有较高的硬度和强度。
5、耐冷热疲劳性能:有些模具在工作过程中处于反复加热和冷却的状态，使型腔表面受拉、压力变应力的作用，引起表面龟裂和剥落，增大摩擦力，阻碍塑性变形，降低了尺寸精度，从而导致模具失效。
冷热疲劳是热作模具失效的主要形式之一，帮这类模具应具有较高的耐冷热疲劳性能。
6、耐蚀性:有些模具如塑料模在工作时，由于塑料中存在氯、氟等元素，受热后分解析出HCI、HF等强侵蚀性气体，侵蚀模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加剧磨损失效。
模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序。
为保证模具的制造质量，降低生产成本，其材料应具有良好的可锻性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；还应具有小的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。
最后将模具组装，进行零件的正式批量生产。
三、结束语
逆向工程与一般的设计制造过程相反，是先有实物后有模型。
仿形加工就是一种典型的逆向工程应用。
目前，逆向工程的应用已从单纯的技巧性手工操作，发展到采用先进的计算机及测量设备，进行设计、分析、制造等活动，如获取修模后的模具形状、分析实物模型、基于现有产品的创新设计、快速仿形制造等。
软件的逆向工程是分析程序，力图在比源代码更高抽象层次上建立程序的表示过程，逆向工程是设计的恢复过程。
逆向工程工具可以从已存在的程序中抽取数据结构、体系结构和程序设计信息。
本文基于逆向工程技术，以先进的软件平台，通过对导流罩零件进行激光扫描、点云的处理、建模、快速成型、修整数模和生成NC 程序等过程，对导流罩模具的阴模和阳模进行数控加工，实现了CAD/CAM无缝连接以及基于逆向工程的快速成型技术的实际应用，从而为笔者积累了相关技术应用经验，也为企业解决了难题，实现了产品质量和实际效益的双提高。
