反求设计实验报告

现代设计理论与方法 1 反求设计实验报告 一．反求设计理论的分析 1.1反求工程的概念与内容 人们通常所称的设计，一般均指正向设计。先是市场调研设计要求，然后设计师创造性的劳动，最后完成产品的设计。而反求工程则是在己知某种产品的有关信息(包括硬件、软件、照片、广告、情报等)的条件下，以方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，回溯这些信息的科学依据，即寻求这些信息的先进性、积极性、合理性、改进的可能性等等，达到充分消化和吸收，然后在此基础上改进、挖潜进行再创造，反求工程是己有设计的设计。 反求工程涉及的内容比较广泛，包括几何形状反求、材料反求、工艺反求等许多方面。一般可以按反求对象分为以下三类: 实物反求；软件反求；影像反求。从狭义上说，反求工程主要指几何形状反求。传统的几何形状反求的工作流程如下：

图1.1传统几何形状反求的工作流程 这种反求方式往往带来以下问题：a.仿制精度不足，翻制模具和手工测绘难

以保证精度；b.加工工艺复杂，需要经验丰富的熟练技工；c.处理方式有限，对于一些复杂曲面难以加工；d.花费成本太大，需要多种加工设备和工具；e.开发周期长，模具的制造要耗费大量的工时；f.改变设计困难，不便对产品进行改进。 总之传统的反求方式使得设计制造与开发产品的效率很低，而且主要是用来仿制已有产品，难以作为一种创新设计手段。这些问题使反求工程的应用范围也因此受到了很大限制。 近十几年来，随着信息技术、测控技术、计算机技术的曲面重构技术、快速原型制造等技术的发展与兴起，反求工程技术也得到了迅速的发展，并广泛地应用于机械、家电、航空、汽车、轻工、医疗等领域。较之于传统的反求技术，速

手工样品或成品

翻制石膏模 手工测绘 仿削机1:1加工

手工图纸 仿制品 改进性产品 现代设计理论与方法

2 度大为提高。 现有的反求工程就是指根据先进的测量设备从实物模型测得的数据，构造出该物体CAD模型，继而将这些模型和设计表征用于产品的分析和制造。它可以方便快捷地提取难以用CAD设计的零件以及艺术模型的数据。它在产品快速设计与快速制造方面具有重要意义。 目前反求工程的工作流程如下：

图1.2目前几何形状反求工程的工作路线 1.2 逆向工程工作步骤 反求技术是利用电子仪器去收集物体表面的原始数据，之后再使用软件，计算出采集数据的空间坐标，并得到对应的颜色。扫描仪是对物体作全方位的扫描、然后整理数据、三维造型、格式转换、输出结果。整个操作过程，可以分为四个步骤： 1) 零件原型的数字化。通常采用接触式或非接触式测量方法来获取零件原型表面点的三维坐标值。 2) 测量数据点的预处理。包括数据点噪声剔除、数据简化、数据平滑、数据分块、特征提取等。 3) 零件原型CAD模型的重建。将分割后的三维数据在CAD系统中分别进行零件原型曲面模型的拟合，并通过各曲面片的求交与拼接获取零件原型的CAD模型。 4) CAD模型的检验与修正。根据获得的CAD模型加工出样品，重新测量加工模型，检验重建的CAD模型是否满足精度或其它试验性能指标的要求，若不满足要求则重复以上过程，直至达到设计要求。

手工样品或成品 三维扫描 扫描数据 CAD/NC制作 模具设计 CAD曲面重建 CAD/NC制作 母模 快速原型制造 零件

复制 现代设计理论与方法

3 样品3D轮廓测量数据处理CAD曲面建模外形修饰

CAM产生NC文件逐层产生STI文件摸具加工R.P.快速成型摸具成型产品复制

图1.3 逆向工程流程图 1.3 逆向工程的应用范围 目前，随着测量技术、材料技术及先进制造技术的迅速发展，逆向工程在制造业得到了广泛的应用，尤其在航空、航天、汽车、家电、模具等行业中表现出越来越大的应用潜力和前景。逆向工程的具体应用主要表现在以下几个方面： 1) 基于实物模型的产品外型设计。当设计师难以直接用计算机进行某些物体如复杂的艺术造型、人体和其他动植物外形等的三维几何没计时，常用黏土、木材或泡沫塑料等材料进行初始外型设计(概念设计)，这就需要通过逆向工程将实物模型转化为三维CAD模型。 2) 对现有产品的局部修改。由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，经常要对已有的产品做局部修改。在原始设计没有三维CAD模型的情况下，若能将实物通过数据测量与处理产生与实际相符的CAD模型，对CAD模型进行修改后再进行加工，将显著提高生产效率。因此，逆向工程在改型设计方面可以发挥不可替代的作用。 3) 对无法得到图纸的已有产品数字化。传统产业的很多产品往往无图纸可用，需要采用逆向工程的方法来实现传统产品的数字化。因此，逆向工程技术是改造传统产业、推动产品更新换代，带动产业结构升级的重要手段。 4) 以已有产品为基准点进行的设计(benchmarking)。借鉴别人的成功设计并在此基础上进行产品创新设计是赶超同类行业先进水平的一个重要捷径，也是当今的一条新设计理念。 5) 磨损或损坏物体的还原。某些大型设备，如航空发动机、汽轮机组等，常会因为某一零部件的损坏而停止运行，通过逆向工程手段，可以快速生产这些零部件的替代件，从而提高设备的利用率和使用寿命。 现代设计理论与方法 4 6) 医学模型制作。逆向工程系统可以通过CT、MRI等临床检测手段获取人体扫描的分层截面图像，并将数据传送至RPM系统，制作出人体局部或内脏器官的模型。 7) 工业产品无损探伤。借助于层析x射线摄影法(CT技术)，逆向工程还可以快速发现、度量、定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤的重要手段。 8) 产品的检测。通过逆向工程技术，利用CAD信息自动生成测量程序，通过三坐标测量机完成对产品的测量任务，获得测量结果后再与CAD信息进行比较来评价产品的加工准确度。 逆向工程与传统正向设计制造过程是截然不同的设计流程。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，而正向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、反复逼近的过程，具有功能导向、描述模式、系统仿造等特性。 1.4 逆向工程系统 零件的数字化和计算机辅助反向建模（Computer Aided Reverse Modeling，简称CARM）是逆向工程的两项关键技术。 逆向工程的系统组成主要包括以下几个方面： 1）测量测头 分接触式和非接触式； 2）测量机 有三坐标测量机、多轴关节式机械臂及激光追踪站等； 3）数据处理软件； 4）模型重建软件(CAD/CAM) 模型重建软件包括三类，一是用于正向设计的CAD/CAE/CAM软件，但数据处理和逆向造型功能有限；二是集成有逆向功能模块的正向CAD/CAE/CAM软件；三是专用产品数据管理（PDM）等软件； 5）CAE软件； 6）数控加工设备； 7）快速原型机； 8）产品批量生产设备。 现代设计理论与方法 5 二．反求设计实验体系的够建 反求设计实验室建设项目定位于“科研教学型”，围绕实验室的建设内容及目标，配置了良好的硬件环境，主要的仪器设备有：快速成型机、工业型三维激光扫描仪等，总价值逾130万元；另实验室还配置了先进的软件，配合硬件设备可以承担如复杂曲面抄数、点云数据处理、三维曲面生成以及高精度成型加工研究等实验项目。 2.1 测量仪器的选择 （1）坐标测量机 坐标测量机（Coordinate Measuring Machine，简称CMM）是一种精密的三坐标测量仪器，三坐标测量机可分为主机、测头、电气系统三大部分。 CMM是典型的接触式测量系统，一般采用触发式接触测量头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值。使用CMM时必须设定较多参数。一般来说，扫描方向与模型陡峭面成正交为佳。由于工件表面形状不一，故常常要将工件分成不同的区域，使用不同的参数扫描。若测量复杂形状的工件，则比较耗时。CMM主要优点是测量精度高，适应性强，但一般接触式测头测量效率低，而且对一些软质表面无法进行测量。 （2）多轴关节式机械臂 机械臂（Robot）也属于接触式测量仪。这种测量机几乎不受方向限制，可在工作空间做任意方向的测量。精度不高为其主要缺点，一般常用于大型钣金件模具的逆向工程测量。 （3）激光扫描测量仪 激光扫描测量仪用于非接触式测量。四自由度激光扫描测量仪工作台具有线性位移及旋转的功能，可带动CCD测头做逐线扫描，并配合工件的旋转完成多角度扫描的功能，基本上只要决定点的密度、扫描范围即可，若遇到不感光或是全反射的表面，则必须喷漆或另外处理。 （4）激光跟踪测量系统 激光跟踪测量系统属球坐标式测量仪器，此类设备较适合做大型物体轮廓的测量，如飞机或汽车外型等。 在这里，我们选用如图2.1所示的华朗科技公司的Holon-3DS标准型三维扫现代设计理论与方法 6 描仪，价格157000元/台。其主要特点有： 1) 扫描速度极快 5秒内可得到100多万点，效率很高。 2 非接触扫描 利用照相式原理，进行非接触式光学扫描，得到物体表面三维数据。而且适应了柔软、易变形物体的测量要求。 3) 精度高 利用独有的测量技术，实际精度可达0.02mm。 4) 大景深 扫描景深可达300～500mm, 为国内最高。适合景深较大物体扫描。 5) 对环境要求不高 环境光对该扫描系统影响不大，在大多数的环境下都能获得高性能的数据。

图2.1 华朗科技公司的Holon-3DS标准型三维扫描仪 Holon-3DS标准型三维扫描仪产品规格和技术参数如下表所示：

2.2 数据预处理 产品外形数据是通过坐标测量仪来获取的，一方面，无论是接触式的数控测

型号（项目） Holon-3DS(标准型) 扫描方式 非接触式面扫描 传感器；分辨率(单位：像素) 2×1,310,000像素∕2×2,000,000像素 单次测量幅面(单位：mm3) 400×300×500 mm3 (max) 100×750×80 mm3 (min) 单幅测量精度(单位：mm) ≤±0.015 mm 单幅测量时间(单位：s) ≤5s 测量点距(单位：mm) 0.07～0.35 mm Holon-3DP测量精度 0.0125 mm/m 光栅技术 外插法多频相移光栅 扫描头尺寸 630×320×150 mm 拼接方式 全自动拼接 操作系统 兼容Windows98/NT/2000/XP/Vista 工作温度、电源 0～40℃、100～240V AC