逆向工程实践报告

《逆向工程综合实践》

实践报告

班 级： K机设111

学 号： 240110138

学生姓名：学 期：2014-2015学年第一学期

实践地点： 工程中心7-C1

实践时间：2015-01-05~2015-01-13

报告成绩：

指导教师：批阅日期：

南京工程学院机械工程学院

一.基础知识

1.综合实践目的

通过本次综合实践，让学生在查阅和学习相关技术资料和手册的基础上，综合运用相关课程知识，进行机械产品零部件的反求设计， 并采用激光快速原型制造技术将学生自己测量和重构的模型制造出来，从而达到加深学生对相关基础知识的理解，提高学生综合应用各方面知识的能力，以及提高分析问题、解决问题能力的目的.

2.逆向工程概述

新产品的开发有两种模式：

●正向工程：由市场需求出发，经产品的概念设计、结构设计、加工制造、装配检验等开发过程。

●逆向工程（又称反求工程，Reverse Engineering）:以已有产品为基础，进行消化、吸收并进行改进和创新，使之成为新产品。

2.1逆向工程的定义

逆向工程是以先进产品的实物、软件或影像作为研究对象，应用现代设计理论和方法、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类型、更为先进的 产品的技术。

目前，大多数有关逆向工程技术的研究和应用都集中在几何形状，即重建产品实物的ＣＡＤ模型和最终产品的制造方面，称为实物反求工程。这是因为作为研究对象，产品实物是面向消费市场最广、最多的一类设计成果，也是最容易获得的研究对象。在产品的反求时， 需要通过一定途径将实物样件转化为ＣＡＤ模型，以期利用计算机辅助制造、快速原型制造和快速模具、产品数据库管理（Product data managament）及计算机集成制造系统等先进技术对其进行处理或管理。随着现代测试技术的发展，快速、精确地获取实物的几何信息已变为现实。

2.2逆向工程技术的主要研究内容

■ 反求对象设计指导思想、功能原理分析：产品的设计指导思想决定了

产品的设计方案，深入分析并掌握产品的设计指导思想是分析了解整个产品设计的前提。

■ 反求对象材料分析：包括材料成分分析、材料组织结构分析、材料性

能检测和材料国产化。

■ 反求对象工艺、装配分析：采用反判法(以零件的技术要求为依据，查

明设计基准，分析关键工艺)编制工艺规程；改进工艺方案，保证引进技术的原设计要求；用曲线对应法反求工艺参数。

■ 反求对象精度的分析；明确产品的精度指标：综合考虑理论误差和原

理误差，进行产品工作原理设计和安排总体布局：完成草图设计后找出全部的误差源，进行总的精度计算；编写技术设计说明 书，确定精度。

■ 反求对象造型的分析：运用工业美学、产品造型原理、人机工程学原

理对产品的外形造型、色彩设计等进行分析。

■ 反求对象系列化、模块化分析

2.3逆向工程的基本步骤

逆向工程的基本步骤如图1所示，其中分析阶段包括深入了解反 求对象的功能原理、结构形状、材料性能、加工装配工艺等，明确其 关键功能和关键技术；再设计阶段包括实物模型测量，数据修正，重 构反求对象，创新与改进；制造阶段主要包括制造与功能检测。

2.4 逆向工程的应用

目前，逆向工程的应用大致分为以下几种情况：

■ 在没有设计图纸或设计阁纸不完整或没有CAD模型的情况下，在对零

件原型进行测量的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据生成数控加工的NC代码，加工复制出相同零件。

■ 在设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常需采用反求工

程的方法。这类设计是在初始设计模型的基础上经过各种性能测试，建立符合要求的产品模型，该类零件—般具有复杂的自由曲面外形，最终的实验模型将成为这类零件及反求其模具的依据。

■ 在美学设计特别重要的领域，如汽车、摩托车等外型设计广泛釆用真

实比例的油泥模型来评估设计的美学效果，此时需采用反求工程的设计方法，将油泥模型转化为CAD模型。

■ 修复破损的艺术品、仿制缺乏供应的损坏零件等；艺术品、考古文物

的复制；人体模型、假肢制造。

2.5反求对象的几何参数釆集

反求对象的几何参数采集是通过特定的测量设备和测量方法来获取表面三维几何坐标信息，测量方法主要有破坏性测量（如断层扫描成像法)和非破坏性测量(又分为非接触式和接触式数据采集方法)两种。

接触式数据釆集方法是通过传感测量头与样件的接触来记录样件表面的坐标位置（有点接触式和连续式非接触式数据采集方法）是基于光学、声学等原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面坐标值（如采用光学测量机、声学测量机、磁学测量机等）

2.6三坐标测量机

三坐标测量机是一种高效、新颖的精密测量仪器。它广泛应用于机械制造、仪器制造、电子工业、航空工业等各领域。应用三坐标测量机可对直线坐标、平面坐标以及空间三维尺寸进行测量，可以测量 球体直径、球心坐标、曲线曲面轮廓、各种角度关系以及凸轮、叶片等复杂零件的几何尺寸和形状位置误差。

三坐标测量机测量精度高，速度快，软件功能强大，是测量行业不可或缺的高级仪器。

三坐标测量机的测量时，将被测物体置于测量空间，通过测量获 得各测点的坐标位置，然后根据这些测点坐标值计算得出被测的几何尺寸、形状和位置。

三坐标测量机一般有主机、测头和电气系统组成。标尺系统可分为机械式测量系统、光学式测量系统和电气式测量系统；三坐标测量 机测头可分为硬测头（机械测头）、电气测头（电触、电感、电容、应变片、压电晶体等）和光学测头（光电检测器件）等。

利用三坐标测量机测量时，测量路径规划的基本原则是安全、路径短、速度快、行走路线自然，即有序、快速、高效地探测分布在元 素表面的各实际点的坐标，并保证在检测过程中测头与工件不发生碰撞。

2.7模型重构技术

模型重构指根据所采集的样本几何数据在计算机内重构样本模型，重构方法分为有序数据的模型重构和散乱数据的模型重构。

重构模型包括网络曲面模型（以三角曲面片为基础）和样条曲面模型（以Ｂ样条、ＮＵＲＢＳ为基础）

模型重构的基本步骤包括：

■ 数据预处理：对原始数据过滤、筛选、去噪、平滑和编辑等操作。

■ 网格模型生成：采用适当的方法生成三角网格模型。

■ 模型后处理:三角物格模型简化，修补模型孔洞、缝隙和重叠等缺陷。

2.8常用反求工程软件

目前应用较广的基于正向的商品化三维造型软件主要有UG、Pro/E、AutoCAD、SolidWorks和I-Dears等,而专用的逆向造型软件主要Imageware,paraform,geomagic 等。

2.9存在问题和发展趋势

2.9.1存在问题

目前国内许多企业在利用数字化测试技术和快速原形技术进行反求产品时，大都只是对同行业样品的复制，甚至都没有消化吸收， 更谈不上改进或二次开发，不但没有自主创新，还屡屡发生知识产权问题。我国反求工程CAD的研究主要在几何反求的个别问题上有一些成果，在反求设计的整体方法和技术上还处于起步阶段。

在测量数据获取方面，主要采用三坐标测量机（精度较高但速度和效率较低);三维数字化激光扫描仪能有效地测量复杂型面但难以 测量零件内部结构；工业CT等断层扫描设备能够实现实物的完整测量，但精度还不髙。近年来出现的层析三维数字化测量技术，能够以 微米级精度完整测量任意复杂零件，是几何反求工程最有前途的测量设备之一。

CAD模型重建包括复杂型面反求和整个形体反求。复杂曲面建模的途径有：以三坐标测量机或激光扫描测量机为基础，在人为制定 的测量规划原则指导下，将一个复杂的自由曲面分成若干个拓补结构为四边形边界的区域，在每个区域内按截面线进行测量，然后对 每个区域内的数据进行计算机处理建模；另一种是通过非接触测量机 完成对物理模型的密集扫描，并将这些数据直接用于数控加工，或者 通过处理，产生物体表面构型的主要几何特征，进而建立实物的表面模型。上述两种方法的精度或者过分依赖测量者的经验，或者由于测 点太多、数据量太大而使后续处理发生困难。

2.9.2发展趋势

基于知识工程的反求设计方法：反求工程的建模过程需要经验知识的支持，对同一对象，不同的反求设计人员会采取不同的建模策略， 其建模的效率和质量因各自的经验和理解的不同有很大区别。将反求设计中的经验知识收集起来，实现经验知识的共享和重用，是提高建 模效率的有效途径。

基于数字化测量/反求工程/快速原型技术的新产品快速开发：近年来，把数字化测量技术、反求工程和快速原型技术结合起来，研究 这三种技术的集成方法，可以在新产品开发中发挥更大的做用，可为提高我国企业的产品开发能力和创新能力提供一个良好的平台。

3.三坐标测量实验

3.1实验目的

了解三坐标测量机的使用方法和测量原理。

3.2试验设备

LEADER NC1065型三坐标测量机（如图3所示）由工作台、控制箱及计算机三部分组成(扫描软件为Leader Soft 3D2000)．

3.2.1 NC1065三坐标测量机结构特征：

(1)三轴导轨均采用优质花岗岩,因而三轴具有相同的温度特性，刚性，温度稳定性更高；

(2）先进的柔性同步齿型带传动，使测量机运行无噪声，寿命长，平稳且定位精确；

(3)三轴均采用大功率驱动器、电机及新型双级带减速器，确保传动准确，迅速；

(4)X轴采用燕尾导轨，有效消除了运动扭摆，任意位置的测量精度都能保证；

(5)高精度高气膜刚性的气浮轴承使导轨几乎永无磨损；

(6)良好的抗时效变形能力，使几何精度长期保持稳定；

(7)工作台具有开敞的工作空间，装夹工件及测量观察方便。

3.2.2 NC01065三坐标测量机性能特点：

NC1065三坐标测量机配置RENISHAW全系列触发式及接触式扫描测头和LS系列激光线扫描测头，从而实现复杂曲面高速扫描(逆向工程)、微小尺寸非接触测最等更高级测量任务。

3.2.3 NC01065三坐标测量机性能指标：

3.3基本功能实验

3.3.1测头及标准球的标定

当使用测量机进行工件检测时，跟工件直接接触的是测头的红宝石球的球面，测量机在数据处理时是以红宝石球的球心来计算的，必须对测球的半径和位置进行补偿，因此，在测量工件之前,首先要进 行测头校正，从而得到测头的准确数值，校正完毕，坐标机会自动补偿校正后的数据。

这样，可以消除由于测头而带给工件测量的误差。可分别用“手动模式”或“自动模式”校验、定义测头。

①定义测头直径：用鼠标单击“测头

②校验测头：用鼠标单击“测头

得到测头的准确值，在以后的测量中即可自动进行测头补偿。测量时，应使所有定义的测头都使用统一的基准，这样在测量过程中使用多个测头完成整个测量过程，就不必考虑测头数据的不一致性问题。

3.3.2基本元素的测量

基本元素测量是所有测量和其它工作的基础。所有零件的检测都要通过对基本几何元素的测量来实现。通过测量得到指定被测基本元 素的有关参数值。

通过此功能可测量指定点、线、面、圆、弧、椭圆、圆柱、圆锥、 球、键槽、曲线、曲面等基本元素。

用鼠标单击“测量”图标，然后单击“被测元素”图标。工作区将显示该测量元素的标号及测量点数，可根据工作区的提示对测量元素进行删除点、增加点等修改，然后进行测量，即可得到被测基本元素的实际值。

3.3.3 “3-2-1”法建立零件坐标系(PCS)

将坐标系的三个轴的方向和坐标原点建立在零件上，用于一些同类零件的程序控制自动测量。

此功能可建立一个完整的零件坐标系。3-2-1的含义是：

3-测量第一平面上的三点，软件自动将此平面的法矢作为零件坐标系的第一轴的方向;

2-测量第二平面上的两点直线，再将其投影到第一平面作为第二轴的方向;

1-再测量或通过构造产生一点作为零件坐标系的原点.

二.测量数据

三.建三维图，截图

UG建模截图

四.设计一个零件三维图

六.快速成型的制造步骤 （一）、 叠层实体快速成型工艺的基本原理和特点

叠层实体制造技术（Laminated Object Manufacturing，简称LOM），又称分层实体制造、薄形材料选择性切割等，是几种最成熟的快速成型制造技术之一。这种制造方法和设备自1991年问世以来，得到迅速发展。由于叠层实体制造技术多使用纸材，成本低廉，制件精度高，而且制造出来的木质原型具有外在的美感性和一些特殊的品质，因此受到了较为广泛的关注，在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造型芯、砂型铸造木模、快速制模母模以及直接制模等方面得到了迅速应用。

1.叠层实体快速成型工艺的基本原理

由计算机、材料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统和机架等组成。首先在工作台上制作基底，工作台下降，送纸滚筒送进一个步距的纸材，工作台回升，热压滚筒滚压背面涂有热熔胶的纸材，将当前迭层与原来制作好的迭层或基底粘贴在一起，切片软件根据模型当前层面的轮廓控制激光器进行层面切割，逐层制作，当全部迭层制作完毕后，再将多余废料去除。

图7-1 叠层实体制造技术的原理简图

在叠层实体快速成型机上，截面轮廓被切割和叠合后所成的制品如图所示。其中，所需的工件被废料小方格包围，剔除这些小方格之后，便可得到三维工件。

图7-2 截面轮廓及网格废料

2.叠层实体快速成型技术的特点

（二）、 叠层实体快速成型的材料和设备 1.叠层实体快速成型材料

1）薄层材料:纸、塑料薄膜、金属箔等 粘结剂:热熔胶

制备工艺：涂布工艺 纸的性能要求： 1）抗湿性

2）良好的浸润性 3）抗拉强度 4）收缩率小 5）剥离性能好

6）易打磨，表面光滑 7）稳定性 2）热熔胶：

1）良好的热熔冷固性（约70~100℃开始熔化，室温下固化）。 2）在反复“熔融－固化”条件下，具有较好的物理化学稳定性。 3）熔融状态下与纸具有较好的涂挂性和涂匀性。 4）与纸具有足够粘结强度。 5）良好的废料分离性能。 涂布工艺：

涂布工艺有涂布形状和涂布厚度两个方面。

涂布形状指的是采用均匀式涂布还是非均匀涂布，非均匀涂布又有多种形状。均匀式涂布采用狭缝式刮板进行涂布，非均匀涂布有条纹式和颗粒式。一般来讲，非均匀涂布可以减小应力集中，但涂布设备比较贵。涂布厚度指的是在纸材上涂多厚的胶，选择涂布厚度的原则是在保证可靠粘接的情况下，尽可能涂的薄，以减少变形、溢胶和错移。

2. 叠层实体快速成型制造设备

（三）、叠层实体快速成型的工艺过程

图7-8 叠层实体快速成型的工艺过程

（四）、提高叠层实体成型制作质量的措施

1. 叠层实体原型制作误差分析

图7-9 叠层实体原型制作误差分析

2. 提高叠层实体原型制作精度的措施

1）在进行STL转换时，可以根据零件形状的不同复杂程度来定。在保证

成形件形状完整平滑的前提下，尽量避免过高的精度。不同的CAD软件 所用的精度范围也不一样。

2）STL文件输出精度的取值应与相对应的原型制作设备上切片软件的 精度相匹配。过大会使切割速度严重减慢，过小会引起轮廓切割的严重 失真。

3)模型的成型方向对工件品质（尺寸精度、表面粗糙度、强度等）、材料成本

和制作时间产生很大的影响。应该将精度要求较高的轮廓（例如，有较高配合

精度要求的圆柱、圆孔），尽可能放置在X-Y平面。

4)为提高成形效率，在保证易剥离废料的前提下，应尽可能减小网格线长度，

可以根据不同的零件形状来设定。

5)热湿变形控制：采用新的材料和新的涂胶方法；改进后处理方法；根据制件

的热变形规律预先对CAD模型进行反变形修正；原型制作后的处理措施：加压

下冷却叠层块；充分冷却后剥离；及时进行表面处理。

图7-10 不同切片精度的效果

3.原型的吸湿性及涂漆防湿效果试验：

（五）、LOM成型技术的应用及举例

LOM在精细产品和塑料件等方面不及SLA具有优势，但在比较厚重的结构件模型、实物外观模型、砂型铸造、快速模具母模、制鞋业等方面，其应用具有独特的优越性，尤其是LOM技术制成的制件具有很好的切削加工和粘接性能。

1.产品模型的制作

(1) 采用LOM技术制件与转移涂料技术，制作铸件和铸造用金属模具。

(2) 采用LOM技术制作铸造用消失模。

(3)可制造石蜡件的蜡模、融模精密铸造中的消失模。

2.快速模具的制作

（1) 可直接制作纸质功能件，用于新产品开发中工业造型的结构设计验证及外观评价。

（2) 利用材料的粘接性能，可制作尺寸较大的制件，也可制作复杂的薄壁件。

（3 借助真空注塑制造硅橡胶模具，试制少量的新产品。

3.应用示例——铸铁手柄

某机床操作手柄为铸铁件，人工方式制作砂型铸造用的木模十分费时困难，而且精度得不到保证。直接由CAD模型高精度地快速制作砂型铸造的木模，克服了人工制作的局限和困难，极大地缩短了产品生产的周期并提高了产品的精度和质量。下图为铸铁手柄的CAD模型和LOM原型。

七．总结

课程设计每次都有着不同的收获，但这两周我记忆尤为深刻，就课程本身而言，它差不多利用的我们所学的所有东西，比如UG建模；一些机械设计的规格要领。。。可以说是给我们毕业设计来个提前的适应，当然课程设计还是有好多艰难的地方的，UG好久不用都快忘光了，这次课设刚好给我机会让我在此好好学习一下，机械方面还有好多规格是我以前都没接触到的，总之这次收获太多了，希望下次能学到更多的东西！