基于反求工程的产品开发和应用 - 文章

基于反求工程的产品开发和应用

作者：新疆天业集团节水公司宋红霞

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摘要：反求工程技术现在广泛的应用各个行业，在汽车、家电、医疗和航空等模具制造业领域具。本文重点介绍以反求工程支撑产品的开发方法，借助于Delcam软件并对其中的数字化产品建模、原型生成和模具加工等关键技术进行了分析。
关键词：反求工程；数字化产品建模；Delcam； PowerSHAPE；CopyCAD

引言

反求工程是从现有的产品零件进行实物测量的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型。快速原型技术是由CAD模型直接驱动的快速制造复杂形状的三维实体的技术总称。其中快速原型技术和反求工程是先进制造技术的重要组成部分。通过该技术可以快速、准确地将设计思想转变为具有一定功能地原型或者零件，以便进行快速评估、修改及功能测试。为了提高产品开发速度，已经开发出了许多先进的设计和制造技术。

1 借用反求工程进行产品的快速开发

传统的产品的开发方式（如图1）是设计人员将所要设计的产品通过计算机软件在计算机中建立产品三维模型或者二维工程图纸，然后进行产品模具加工或者机械加工；再将加工生成的产品零件进行各项检验，对所发现的设计错误进行修正，再重新设计直到实现各项设计目标。

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图1 传统产品开发流程图

现在的产品设计多是在原有产品或者相类似的产品上面进行创新，同时继承原有产品的许多相似的结构。针对这类产品结合先进制造技术产生了以反求工程和快速原型技术为支撑的开发方法（如图2）。首先运用反求工程对现有零件中所需的几何特征和结构特征进行继承，再在此基础上进行创新设计；将所设计好的产品利用快速原型技术快速生成测试样件，对新产品进行设计、装配，可制造性等方面的评估，从而迅速对所设计的产品进行修改，为产品最终制造一次性成功提供可靠保证。

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图2 反求工程技术产品开发流程图

与传统产品设计相比，现有产品开发方式充分继承原有产品的优点并利用并行工程的概念，在产品设计初期就能对产品开发的后期所要进行的设计的可优化性，可装配性和可制造性进行评估。它利用设计--样件测试--再设计的小循环取代原有产品开发过程中设计--制造--再设计的大循环。

2 利用反求工程进行产品开发的关键技术

应用反求工程和快速成型技术对产品进行开发，其主要是对原有样品进行三维坐标数据采集、产品建模、数据转换制造出快速成型样件、修正设计、最终正式生产。

2.1数据采集

三维数据的获取方法基本上是可以分为接触式和非接触式。接触式测量仪器（如三坐标测量机CMM）是利用传感器实现测量头在工件上的快速移动，从而快速记录所测点的坐标值，并具有较高的精度。但该方法测量速度慢，对测头无法触及的表面不能测量，不易获得连续的坐标点；非接触式测量是指用非接触的光电方法对曲面的三维进行快速测量。常用的有激光扫描测量、逐层扫描测量等。激光扫描测量是通过发射激光束到物体表面，反射后被一感光设备接收，根据反射时间、光源与感光设备间的位置关系等推算出物体表面的坐标，可实现复杂轮廓的高速测量，但是不适合于具有复杂内轮廓表面；逐层扫描测量则可用于复杂的内轮廓表面的测量。常用的方法有工业CT和逐层切削照相测量。工业CT将所获取的点以物体横截面形式绘出，且并不损伤实物，但精度较低；逐层切削照相测量是一种新兴的断层测量技术，它以极小的厚度去逐层切削斯文物，并对每一断层进行照相，获取截面图象数据，且精度高，但它破坏了实物。

2.2数字化建模

数字化建模是对由测量得到实物模型的坐标点所构成 “点云”（dot cloud）数据进行操作，再利用各种反求软件和CAD软件对这些点云进行产品模型的构建，生成所要设计的零件三维模型。其基本过程如下：

(1)点云处理与曲面构建。首先对所测量的原始数据进行过滤，筛减，去噪，平滑，编辑等，使其满足后续建模要求，然后进行零件曲面的构建。由于点云的点是相互孤立的，需要将这些点重构成曲面、光顺后才能实现建立零件模型。因此曲面构建也是零件构建的关键。目前通用CAD软件尽管带有基于测量数据的模型重构功能，但与其正向造型功能相比，逆向模型重构功能还不成熟。因此曲面重构通常采用专业的反求工程软件进行构建。我公司采用了英国达尔康公司的专业反求工程软件CopyCAD，它可以处理多种不同坐标测量设备得到的数据，其构建曲面的基本方法是，从点构建成三角形，再根据三角形来拟合取面，在拟合过程中提供了多种方法进行点线及曲面的的处理，并有多种诊断方法保证在处理过程中的精度要求，省去了传统逆向设计中的点→曲线→曲面的过程，大大减少了繁琐的工作量以及提高了曲面的精度。同时添加新的点来构建新的特征曲面，实现设计的创新。

(2)零件模型的结构设计。将专业反求软件得到的曲面数据模型转入通用的CAD软件中，如UG、CATIA、PowerSHAPE、Pro/E等进行处理，将曲面模型实体化构成零件的基本CAD模型，然后在现有模型基础上充分利用CAD软件良好机械设计功能进行装配，面、加强筋、翻边、倒角或工艺孔等与机械设计紧密相关的特征设计，同时加入零件的材料、工艺等多方面的信息，从而最终实现零件的数字化建模。PowerSHAPE是英国Delcam公司的专业三维设计软件，拥有智能化的复合造型功能，模型中可以方便的对点、线、面、实体以及三角形进行处理，并且最为重要的是PowerSHAPE与CopyCAD无缝集成，省去频繁的逆向→正向，正向→逆向的数据转换，不仅减少工作量，而且可以避免数据在转换过程中的丢失。

2.3快速数据转化和修复

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图3 由CAD图档转换为快速成型加工件

由于快速原型原理（图 3）是按一层层截面轮廓来加工的。因此在加工前必须对零件 CAD三维模型进行切片处理，即沿成形的高度方向每隔一定的间隔进行切片处理，以便提取表面轮廓。间隔大小是由成形件精度和生产率的要求决定的。间隔越小，精度越高，但是成形时间越长。间隔范围通常为0.05～0.5mm，通常取0.1mm。因此通常分为以下步骤：

（1）零件CAD三维模型数据转化。由于零件三维模型往往由一些不规则的自由曲面构成，要进行切片处理必须获取零件CAD模型的表面信息。所以要对零件模型进行三角面化，用一系列小三角形来逼近自由曲面。经过三角面化的三维模型文件通常称为IGS格式文件它由一系列相连的空间三角形组成。目前典型的CAD软件都有IGS格式文件的输入和输出接口。但是由于逼近精度要求，在输出IGS文件会存在零件CAD模型细小几何特征消失问题，需要进行修复。

(2) IGS格式文件修复。IGS格式文件出现的错误通常有:a、出现错误的裂缝或孔洞，在IGS格式转换时候，由于数据舍入的误差会造成一个点同时处于多个位置，从而造成有错误的孔洞或裂缝。b、微小的特征遗漏或出错；当三维CAD模型中有非常小的特征结构，可能很难对特征进行三角面化，造成这些特征结构的遗漏或出错。

3 反求工程技术的应用

按照上述方法，利用相关的关键技术，对一曲轴连动块进行反求并作有针对性的改进设计。由于该零件是一个中心对称结构，因此在对其原有零件的数据采集时只需要采集一半就可以了，另半面用对称的方法直接可以解决，我们采用美国布朗-夏普公司的三坐标测量机进行测量，图4是对曲轴连动块扫描后得到的IGES文件，导入PowerSHAPE软件进行处理的点云和网格线。即利用PowerSHAPE软件对其曲面进行重构。

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在模型生成后，将零件模型进行数据转换，并用快速成型设备快速生成样件，并对样件进行设计评估和试装配，根据评估和装配中的问题对设计进行修改，最终保证零件开模的成功。

4 结论

逆向工程是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，逆向工程技术已经广泛应用到新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中，它不仅消化和吸收实物原型，并且能修改再设计以制造出新的产品。但同时设计过程中系统集成化程度比较低，人工干预的比重大，将来有望形成集成化逆向工程系统，以软件的智能化来代替人工干预的不足。

参考文献
[1]反求工程技术及应用研究，装备制造技术，2006.04
[2]刘之江，反求工程[M]，北京：机械工业出版社
1996.
[3]孙志学.基于反求工程的产品设计[J]，陕西理工学院学报，2006（6）: 7-9
[4]程俊廷，张树林，韩明等，反求工程在快速成型中的应用[J]精密制造与自动化2003(1)P20～21。
[5]邓乾旺，刘小燕，于德介，快速反求工程及其在快速成形制造中的应用[J]沈阳：机械设计与制造2000(8)P59～60。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/12/2009)


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