反求设计
1 反求设计理论（1/4）
2实验设备体系参数（1/4）
3 过程步骤（1/4）
4 报告（1/4）
反求设计
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
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
⼆．反求设计实验室体系建⽴
2.1逆向⼯程系统组成
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；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
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。
2.2 反求设计实验室建⽴
（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
激光快速成型机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量机还是⾮接触式的激光扫描机，不可避免地会引⼊数据误差，尤其是尖锐边和产品边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能使该点及其周围的曲⾯⽚型号（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：mm 3)
400×300×500 mm 3 (max) 100×750×80 mm 3 (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
偏离原曲⾯。同时由于实物⼏何和测量⼿段的制约，在数据测量时，会存在部分测量盲区和缺⼝，给
后续的造型带来影响。所以需要对测量数据进⾏平滑处理、不同⽅位测量的多视数据进⾏对齐定位、不同特征区域的数据进⾏分割。
（1）数据平滑
数据平滑的⽬的是消除测量噪声，以得到精确的模型和好的特征提取效果。（2）多视数据对齐定位
在逆向⼯程实际过程中，对实物样件进⾏数字化时，往往不能在同⼀坐标系下将产品的⼏何数据⼀次测出。得到的数据为多次测量数据。
对激光扫描测量，需要从不同的⾓度对样件的各个⾯，以及样件局部进⾏放⼤扫描，以获取样件的多视点云。通常为处理⽅便，将两种情况的数据都称为多视数据或点云，由于在⼏何模型构建时必须将这些不同坐标系下的多视数据变换或统⼀到同⼀个坐标系中，这个数据处理过程称为多视数据的对齐(Registration)，或数据拼合、重定位等。
（3）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，数据分割⽅法分为基于测量的分割和⾃动分割两种⽅法。测量的分割：适合于曲⾯特征⽐较明显的实物外形和接触式测量，操作者的⽔平和经验对结果将产⽣直接影响。⾃动分割：基于边，基于⾯。
2.3模型重建技术
在逆向⼯程中，实物的三维CAD模型重建是整个过程最关键、最复杂的⼀个环节，因为后续的产品加⼯制造、快速原型制造、虚拟制造仿真、⼯程分析和产品的再设计等应⽤都需要CAD数学模型的⽀持，这些应⽤都不同程度地要求重建的CAD模型能准确的还原实物样件，所以点数据的处理、曲⾯的构建⽅式以及完整的修编和分析等功能，是逆向⼯程曲⾯模型重建相当重要的部分。
专业的逆向⼯程软件：英国DelCAM公司产品CopyCAD、美国Imageware 公司的Surfacer、美国Raindrop公司的Geomagic、英国MDTV公司的STRIM。
CAD/CAM集成系统中也开始集成了类似功能模块，如Pro/Engineer中的Pro/Scantools和ICEM Surf模块、UG中的PointCloud 功能、Cimatron中的Reverse Engineering功能模块等，这些系统可以接受有序点，也可以接受点云数据，极
⼤地⽅便了设计⼈员，但与专业的逆向⼯程软件相⽐，它们的功能相当有限。
在这⾥我们选⽤美国Imageware公司的Surfacer软件，价格130000元。
2.4快速成型加⼯
快速成型制造技术20世纪80年代起源于⽇本，是近20年来制造技术领域的⼀次重⼤突破。快速原型技术是⽤离散分层的原理制作产品原型的总称，其原理为：产品三维CAD模型→分层离散→按离散后的平⾯⼏何信息逐层加⼯堆积原材料→⽣成实体模型。该技术集计算机技术、激光加⼯技术、新型材料技术于⼀体，依靠CAD软件，在计算机中建⽴三维实体模型，并将其切分成⼀系列平⾯⼏何信息，以此控制激光束的扫描⽅向和速度，采⽤粘结、熔结、聚合或化学反应等⼿段逐层有选择地加⼯原材料，从⽽快速堆积制作出产品实体模型。
快速原型技术突破了“⽑坯→切削加⼯→成品”的传统的零件加⼯模式，开创了不⽤⼑具制作零件的先河，是⼀种前所未有的薄
层迭加的加⼯⽅法。与传统的切削加⼯⽅法相⽐，快速原型加⼯具有以下优点： (1)可迅速制造出⾃由曲⾯和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空⼼部分等，⼤⼤降低了新产品的开发成本和开发周期。(2)属⾮接触加⼯，不需要机床切削加⼯所必需的⼑具和夹具，⽆⼑具磨损和切削⼒影响。 (3)⽆振动、噪声和切削废料。 (4)可实现夜间完全⾃动化⽣产。 (5)加⼯效率⾼，能快速制作出产品实体模型及模具。RPM技术的具体⼯艺不下30余种，最为成熟的以下四种：
1)⽴体印刷（SLA－Stereolithgraphy Apparatus）
将激光聚焦到液态固化液态材料（如光固化树脂）表⾯，令其有规律地固化，由占到线，到⾯，完成
⼀个层⾯的建造；⽽后升降平台，移动⼀个层⽚厚度的距离，重新覆盖⼀层液态材料，再建造⼀个层，由此层层迭加，成为⼀个三维实件（如图2.2所⽰）。激光⽴体造型制造精度⽬前可达±0.1mm，主要⽤作为产品提供样品和实验模型。此外，⽇本开发的SOLIFORM可直接制作注射成型模具和真空注塑模具。
图2.2 ⽴体印刷⼯艺原理图
2)分层实体制造（LOM，Laminated object Manufacturing）
它采⽤激光或⼑具对箔材进⾏切割⽽获得⼀个层⾯。具体的说，⾸先切割出⼯艺边框和原型的边缘轮廓线，⽽后将不属于原型的材料切割成⽹格状。通过升降平台的移动和箔材的送给，可以切割出新的层⽚，并将其与箔有的层⽚粘接在⼀起，这样层层迭加后得到⼀个块状物；最后将不属于原型的材料⼩块剥除，就获得所需的三维实体。这⾥所说的箔材可以是涂覆纸（涂有粘接剂覆层的纸），涂覆陶瓷箔、⾦属箔或其他材质基的箔材（如图2.3所⽰）。LOM可制作⼀些光造型法难以制作的⼤型零件和厚壁样件，且制作成本低廉（约为光造型法的1/2）、速度⾼（约为⽊模制作时间的1/5以下），并可简便地分析设计构思和功能。
图2.3 LOM⼯艺原理图
3) 选择性激光烧结（SLS，Selective Laser Sintering）
对于由粉末铺成的很好密密实度和平整度的层⾯，有选择地直或间接粉末熔化或粘接，形成⼀个层⾯，铺粉压实，再熔结或接成另⼀个层⾯，并与原层⾯熔结或粘接，哪此层层迭加为⼀个三维实体（如图2.4所⽰）。FDM技术的最⼤特点是速度快（⼀般模型仅需⼏⼩时即可成型）、⽆污染，在原型开发和精铸蜡模等⽅⾯得到⼴泛应⽤。
4) 融沉积成形（FDM，Fused Deposition Modeling）
将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）通过加热器熔化，挤压喷出并堆积⼀个层⾯，然后将第⼆个层⾯⽤同样的⽅法建造出，并与前⼀个层⾯熔结在⼀起，如此层层堆积⾯获得⼀个三维实体（如图2.5⽰）。SLS技术造型速度快（⼀般制品，仅需1天～2天即可完成）、造型精度⾼（每层粉末最⼩厚度约0.07mm，激光动态精度可达±0.09mm，并具有⾃动激光补偿功能）、原型强度⾼（聚碳酸脂其弯曲强度可达34.5MPa，尼龙可达55MPa），因此，可⽤原型进⾏功能试验和装配模拟，以获取最佳曲⾯和观察配合状况。
图2.4 SLS⼯艺原理图图2.5 FDM⼯艺原理图
在这⾥，我们选⽤如图2.6所⽰的FDM3000快速成型机，价格99.27万。FDM3000是美国“Stratasys”公司⽣产的⾼精度熔融沉积型快速成型系统，是产品设计和开发的先进⼯具，可以优化产品设计、降低产品开发和⽣产的周期和成本。主要性能和技术指标：(1)成型材料：ABS⼯程塑料；（2）成型规格406*254*254mm ；（3）成型精度：+-0.127mm。⽤途：新产品的概念设计及设计审定；部件的整体配合评估及⼯程测试；产品的功能测试结构分析；产品样品及可加⼯功能零部件的制造；⾼精度模具母形快速制造；⽣产的可⾏性研究。
图2.6 FDM3000快速成型机2.5 设备清单
主要仪器设备
仪器设备名称品牌、型号数量
（台）单价
(万元)
总价
(万元)
三维扫描仪Holon-3DS系列标准型 1 15.7 15.7 Imageware软件12.0版本 1 13 13
微型计算机联想公司的Y460系列10 0.5 5 FDM快速成型机FDM3000 1 99.27 99.27 总计132.97
三．反求设计实验步骤
3.1 反求设计实验步骤
（⼀）三维扫描：
1)喷上显像剂
2)粘贴标志点
3)全⽅位扫描拼接
（⼆）点云处理：
Surfacer主要⽤来做逆向⼯程，它处理数据的流程遵循点——曲线——曲⾯原则，流程简单清晰，软件易于使⽤。其流程如下：
1．点过程
1）读⼊点阵数据，Surfacer 可以接收⼏乎所有的三坐标测量数据，此外还可以接收其它格式，例如：STL、VDA 等。
2）将分离的点阵对齐在⼀起(如果需要)。有时候由于零件形状复杂，⼀次扫描⽆法获得全部的数据，或是零件较⼤⽆法⼀次扫描完成，这就需要移动或旋转零件，这样会得到很多单独的点阵。Surfacer可以利⽤诸如圆柱⾯、球⾯、平⾯等特殊的点的信息将点阵准确对齐。
3）对点阵进⾏判断，去除噪⾳点(即测量误差点)。由于受到测量⼯具及测量⽅式的限制，有时会出现⼀些噪⾳点，Surfacer 有很多⼯具来对点阵进⾏判断并去掉噪⾳点，以保证结果的准确性。
4）通过可视化点阵观察和判断，规划如何创建曲⾯。⼀个零件，是由很多单独的曲⾯构成，对于每⼀个曲⾯，可根据特性判断⽤⽤什么⽅式来构成。例如，如果曲⾯可以直接由点的⽹格⽣成，就可以考虑直接采⽤这⼀⽚点阵；如果曲⾯需要采⽤多段曲线蒙⽪，就可以考虑截取点的分段。提前做出规划
可以避免以后⾛弯路。
5）根据需要创建点的⽹格或点的分段。Surfacer 能提供很多种⽣成点的⽹格和点的分段⼯具，这些⼯具使⽤起来灵活⽅便，还可以⼀次⽣成多个点的分段。2．曲线创建过程
1）判断和决定⽣成哪种类型的曲线。曲线可以是精确通过点阵的、也可以是很光顺的(捕捉点阵代表的曲线主要形状)，或介于两者之间。
2）创建曲线。根据需要创建曲线，可以改变控制点的数⽬来调整曲线。控制点增多则形状吻合度好，控制点减少则曲线较为光顺。
3）诊断和修改曲线。可以通过曲线的曲率来判断曲线的光顺性，可以检查曲线与点阵的吻合性，还可以改变曲线与其它曲线的连续性(连接、相切、曲率连续)。Surfacer 提供很多⼯具来调整和修改曲线。
3．曲⾯创建过程
1）决定⽣成那种曲⾯。同曲线⼀样，可以考虑⽣成更准确的曲⾯、更光顺的曲⾯(例如class 1 曲⾯)，或两者兼顾，可根据产品设计需要来决定。
2）创建曲⾯。创建曲⾯的⽅法很多，可以⽤点阵直接⽣成曲⾯(Fit free form)，可以⽤曲线通过蒙⽪、扫掠、四个边界线等⽅法⽣成曲⾯，也可以结合点阵和曲线的信息来创建曲⾯。还可以通过其它例如园⾓、过桥⾯等⽣成曲⾯。
3）诊断和修改曲⾯。⽐较曲⾯与点阵的吻合程度，检查曲⾯的光顺性及与其它曲⾯的连续性，同时可以进⾏修改，例如可以让曲⾯与点阵对齐，可以调整曲⾯的控制点让曲⾯更光顺，或对曲⾯进⾏重构等处理。
（三）快速成型：
1．开机操作：
1）打开电源开关。
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