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《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。
快速成型与逆向工程的应用前言........................................................................................................ - 3 -一、概念.............................................................................................. - 3 -1.1逆向工程 ................................................................................... - 3 -1.2快速成型 ................................................................................... - 4 -二、快速成型与逆向工程技术 ........................................................... - 4 -2.1逆向工程与CAD技术的关系................................................. - 5 -2.2逆向工程与快速成型技术的关系 ........................................... - 5 -三、逆向工程技术中的技术及其应用 ............................................. - 6 -3.1数据采集 ................................................................................... - 6 -3.2 数据处理 .................................................................................. - 7 -四、小结................................................................................................ - 9 -五、科技文献.................................................................................... - 10 -前言逆向工程技术和快速成型技术的定义和逆向工程与快速成型的一般流程。
逆向工程及快速成型技术引言逆向工程和快速成型技术是当今数字化时代强有力的工具，对各个行业都有着深远的影响。
逆向工程是通过分析和推导一个产品的设计、构造和功能，来理解并重新构建该产品的过程。
快速成型技术则是通过一系列自动化的加工过程，将数字化设计数据通过三维打印等方式快速转化为实体产品。
本文将介绍逆向工程和快速成型技术的基本概念、应用领域以及未来发展方向。
逆向工程基本概念逆向工程（Reverse Engineering）是指通过分析和推导产品的设计、构造和功能，来理解并重新构建该产品的过程。
它包括对产品的结构、性能、工艺和使用特性等方面的解析，以及对产品的复制和改进。
逆向工程通常通过采集、处理和分析产品的物理数据、CAD模型和软件程序等信息来实现。
应用领域逆向工程可以应用于各个行业和领域。
其中，制造业是逆向工程的主要应用领域之一。
在制造业中，逆向工程技术可以帮助企业快速获取竞争对手的产品信息，对其进行分析和研究，从而提升自己的技术优势。
逆向工程还可以用于产品的维修和改进，通过分析产品的结构和工艺，找出产品存在的问题并进行改进。
此外，逆向工程还可以应用于艺术、文化遗产保护等领域。
发展趋势随着信息技术的不断发展，逆向工程的方法和工具也在不断更新和改进。
目前，逆向工程主要应用于物理产品的分析和复制，但随着虚拟现实和增强现实等技术的发展，逆向工程将更多地应用于数字产品和软件的研究和分析。
此外，随着机器学习和人工智能技术的进一步发展，逆向工程将可以更加自动化和智能化，提高工作效率和准确性。
快速成型技术基本概念快速成型技术（Rapid Prototyping）是一种通过自动化的加工方法，将数字化设计数据快速转化为实体产品的技术。
它通过将设计数据转化为三维模型，并通过三维打印等方式进行快速制造。
快速成型技术可以减少产品开发周期和成本，提高生产效率。
应用领域快速成型技术被广泛应用于工业设计、医疗器械、汽车制造、航空航天等领域。
机械制造中的逆向工程与快速原型技术近年来，随着科技的不断进步和互联网的普及，机械制造领域的发展也日新月异。
而在这个领域中，逆向工程和快速原型技术成为了关注的焦点。
本文将就机械制造中的逆向工程和快速原型技术进行探讨，并分析其在实践中的应用和意义。
一、逆向工程的定义与特点逆向工程，顾名思义，即对现有产品进行逆向分析和研究，以获取相关的技术和设计信息。
逆向工程可以通过多种手段实现，包括测量、扫描、模拟等。
其主要特点包括：1. 提高产品研发效率：逆向工程可以从已有的产品中获取相关数据和信息，避免了从零开始研发的过程，因此可以大大提高产品研发的效率。
2. 降低产品研发成本：逆向工程可以避免重新设计和开发产品的成本，同时可以通过分析市场上同类产品的竞争情况，减少研发风险，从而降低研发成本。
3. 挖掘产品潜力：通过逆向工程，可以深入了解已有产品的设计和制造技术，挖掘产品的潜力，进一步提升产品的性能和品质。
4. 保护知识产权：逆向工程可以帮助企业更好地保护自己的知识产权，及时发现他人对自己产品的仿制或抄袭，并采取相应的措施进行维权。
二、逆向工程在机械制造中的应用逆向工程在机械制造中有着广泛的应用，以下是几个典型的应用场景：1. 产品改进和优化：通过对现有产品进行逆向分析，可以发现产品的不足之处，并对其进行改进和优化，提高产品的性能和品质。
2. 零部件的翻新和维修：逆向工程可以帮助企业在老旧机械设备中找到合适的零部件替代品，从而延长其使用寿命，减少设备更换的成本。
3. 产品仿制和定制：通过逆向工程，可以对市场上的同类产品进行分析和复制，快速开发出具备相同功能的产品，并满足不同客户的个性化需求。
4. 创新设计和新产品开发：逆向工程可以帮助设计师深入了解现有产品的设计思路和制造工艺，从中汲取灵感，进行创新设计和新产品开发。
三、快速原型技术的定义与特点快速原型技术，也称为快速成型技术，是一种利用计算机辅助设计和制造技术，通过逐层堆积材料实现快速生成三维实体模型的技术。
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）.目前逆向工程在制造领域应用广泛。
简单说，主要有以下方面：⑴.汽车与飞机的外型设计。
⑵.模具设计及制造。
⑶.仿形设计。
⑷.医学领域。
⑸.快速原型制造。
⑹.文物工艺品复制。
⑺.电视电影的3D造型。
2）.逆向工程与传统的设计方式有众多优点：⑴.降低成本。
⑵.缩短设计周期。
⑶.学习及消化先进设计经验、技术。
⑷.提高生产效率。
⑸.提高设计水准。
3）.逆向工程存在问题：⑴.测量方法中的实际问题。
⑵.数据处理问题。
⑶.曲面重构问题。
⑷.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）.联系实际与本专业相关模具联系起来，有以下优点：⑴.降低模具制造成本。
⑵.提高模具生产效率。
⑶.减少修模量。
⑷.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，逆向工程的应用就是必然的，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。
快速成型与逆向工程的应用前言........................................................................................................ - 3 -一、概念.............................................................................................. - 3 -1.1逆向工程 ................................................................................... - 3 -1.2快速成型 ................................................................................... - 4 -二、快速成型与逆向工程技术 ........................................................... - 4 -2.1逆向工程与CAD技术的关系................................................. - 5 -2.2逆向工程与快速成型技术的关系 ........................................... - 5 -三、逆向工程技术中的技术及其应用 ............................................. - 6 -3.1数据采集 ................................................................................... - 6 -3.2 数据处理 .................................................................................. - 7 -四、小结................................................................................................ - 9 -五、科技文献.................................................................................... - 10 -前言逆向工程技术和快速成型技术的定义和逆向工程与快速成型的一般流程。
并通过一个简单球面的反求工艺实例,阐述了逆向工程中数据采集、产品建模以及产品快速成型的一般过程。
从而证明了逆向工程技术是一个多领域、多学科的系统工程,是基于新的设计思想和方法,在计算机技术、数控测量技术和CAD/CAM技术发展基础上产生的一项新技术,能广泛运用于模具行业,并有一定的影响力。
本文证实了逆向工程技术和快速成型技术的前沿性和可靠性,并展望了逆向工程技术与快速成型应用的前景。
一、概念1.1逆向工程所谓逆向工程(Reverse Engineering,简称RE),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。
而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/CAE/CAM以及CIMS等先进技术对其进行处理。
随着计算机技术的发展,CAD技术已成为产品设计人员进行研究开发的重要工具。
尤其是三维造型技术已经被制造业广泛应用于产品及模具设计、自动化加工制造等方面。
在实际开发制造过程中,设计人员接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型,但很多时候,从上游厂家得到的却是产品的实物模型。
设计人员需要通过一定的途径,将这些实物模型信息转化为CAD模型,这就应用到了逆向工程技术。
1.2快速成型快速成型(Rapid Prototyping,RP)技术,是一种基于离散堆积成型思想的新型成型技术,是集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。
快速成型制造(Rapid Prototyping Manufacturing,RPM)技术是使用快速成型技术、由CAD模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术的总称。
快速成型技术基本原理和成形过程是:将计算机产生的CAD实体模型,根据工艺要求,按一定厚度进行分层,把原来的三维电子模型经分层切片软件处理,形成一系列薄截面层形状的二维平面信息,再将分层后的二维信息生成数控代码,以平面加工方式有顺序地连续加工出每层模型,并使它们自动粘结成形。
二、快速成型与逆向工程技术逆向工程技术和快速成型技术结合使得快速成型技术在制造领域的应用更加广泛,逆向工程在快速成型技术中的应用有以下几方面。
1)用逆向技术直接生成STL文件,供快速成型系统的数据处理软件直接使用,产生数控代码。
2)用逆向技术生成层片CLI文件,这种输出比较适用于对各种CT图像的逆向,由于快速成型本身就是分层制造法,用断层图像或矢量化的层片轮廓信息直接驱动快速成型设备逐层叠加而成三维实体。
3)用逆向技术来重构出实体模型,借助于CAD系统来转化成STL 文件。
2.1逆向工程与CAD技术的关系逆向工程技术是随着计算机技术的发展和成熟及数据测量技术的进步而发展起来的一门新兴学科与技术。
它的出现,改变了原来CAD系统中从图样到实物的设计模式,为产品的迅速开发以及快速原型化设计提供了一条新的途径。
但是,逆向工程是在原有CAD技术上发展起来的,逆向工程的最终结果是由CAD技术完成和实现的,因此,CAD技术贯穿于逆向工程的大部分过程。
2.2逆向工程与快速成型技术的关系所谓一体化思想就是对产品及其相关过程在计算机中利用先进的CAD/CAM/CAE系统进行并行、逆向工程与快速成型一体化设计的一种系统化工作模式,在设计的初期就把产品的生命周期中所有因素(包括制造、质量、外形、成本、进度、市场现状和用户需求等)考虑进去。
RE与RP结合使得RP技术在制造领域的应用更加广泛,因为RP离不开CAD软件系统设计出的CAD模型;没有CAD模型, RP 将无从谈起。
快速成型技术是制造业发展的关键技术之一,在快速成型中由于逆向工程的应用,使产品的开发周期大大缩短,产品的一次设计加工成功率大大提高,从这个意义上说,逆向工程在快速成型中的应用,大大降低了产品的开发成本,降低了时间和材料消耗,提高了产品品质。
逆向工程与快速成型技术相结合,可构成一个闭环的快速产品开发系统,这种快速闭环设计系统在设计评价、装配检验、快速模具制造及直接将原型用于功能试验等方面得到广泛应用。
三、逆向工程技术中的技术及其应用逆向工程技术中的关键技术包括数据采集、数据处理、曲面重构、再设计和曲面品质分析及优化等。
这里主要用Imageware软件对ATOS扫描仪测量出来的手机点云数据进行处理,拟合成曲线或曲面并对其进行误差分析。
3.1数据采集数据采集就是零件模型的数字化,采用适当的测量装置来获得零件模型表面点的三维坐标值,其得到的测量数据被称为/点云0。
在逆向工程中,数据采集是第1步也是非常关键的一步,数据测量的精度对逆向工程的质量和进度起着重要的作用。
数据采集实际上就是三维测量技术问题,测量方法包括。
1)接触式测量:接触式测量是传统的测量方式,测量过程中测头与模型表面接触进行扫描测量,其测量精度高,缺点是测量速度慢,不适于软质材料或薄型物件进行扫描。
其最典型的代表是常见的三坐标测量仪,又称探针扫描器,是利用三坐标测量仪的接触探头(有各种不同的直径和形状)逐点地获取被测型面上一点的X, Y, Z坐标值。
2)非接触式测量:非接触式测量法主要是利用光学、声学和磁学等领域的基本原理,将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。
光学测量仪按其工作原理又可分为:投影光栅法、激光三角形法、轮廓投影法和图像分析法等。
非接触式测量逐渐成为主流方法。
3)逐层扫描测量:此方法提供了被测物体的截面轮廓及其内部结构的完整信息,并由数据重建物体的三维几何模型。
4)逐层去除测量:此方法是一种破坏性的,与逐层累加相反的测量方法,该方法虽然破坏零件,但取得的数据精度高,在很多情况下也有应用。
3.2 数据处理数字化测量得到的点云数据不可避免地存在一些问题,需进行数据的处理。
点云数据的处理包括噪声去除、多视对齐、数据精简和数据分割等。
1)噪声去除数据获取的方法虽然多样,但在实际的测量过程中受到人为或随机因素的影响,都不可避免会引入不合理的噪音点,这部分数据约占数据总量的011%~5%。
为了降低或消除其对后续重构的影响,有必要对测量点云进行滤波,去除噪音点。
2)多视对齐由于被测物体的尺寸过大或实物几何形状复杂,测量往往不能一次测出所有数据,需要从不同位置和多视角进行多次测量,再将这些点云进行对齐、拼接。
多视对齐实质为寻求采自不同坐标系下点云的空间变换,以进行空间匹配。
3)数据精简自动测量所得到的数据点云十分密集,数据存在大量冗余,无法直接用于曲面构造。
由于数据的冗余,导致很多无效运算开支,如果不进行数据精简,会极大地降低几何建模的速度。
不同类型的点云可采用不同的精简方式,散乱点云可通过随机采样的方法来精减;对于扫描线点云和多边形点云可采用等间距缩减、倍率缩减、等量缩减和弦偏差等方法;网格化点云可采用等分布密度法和最小包围区域法进行数据缩减。
4)数据分割数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型,将属于同一子曲面类型的数据成组,这样全部数据将划分成代表不同曲面类型的数据域,为后续的曲面模型重建提供方便。
利用ATOS光学三维扫描仪采集的几十万、上百万甚至更多的无序点数据,数据处理的工作量很大,所以,为了获得完整、正确的测量数据,以方便后续的造型工作,在模型重建之前需要对测量数据进行处理。
四、小结逆向工程技术和快速成型技术的一体化结合是多领域的、复杂的、多学科的系统工程,快速成型的出现把传统的加工带入全新的数字化领域,要让该系统工程得到越来越广泛、深入的应用,应从各个方面着手完善和发展该系统,进一步拓宽该技术的应用范围。
五、科技文献【1】李志国,祁文军,孙文磊,刘炳逆向工程与快速成型一体化在现代产品设计中的应用新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐830008【2】沈晓伟逆向工程与快速成型技术的应用江苏联合职业技术学院无锡交通分院机械工程系,江苏无锡214046【3】谢元媛,孙文磊,杨杰逆向工程技术与快速成型技术在新产品开发中的应用新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐830008。
