反求工程及创新设计-----计算机辅助反求设计

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随着计算机技术的飞速发展，在反求设计中应用计算机辅助技术可大大缩短新产品开发周期。在实物反求设计中，尤其是象一些汽车覆盖件、叶片等自由曲面零件，计算机辅助设计已具有广泛的应用。3 z" C7 @: P# |+ [# `9 V
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一、计算机辅助实物反求设计' T# M8 G0 a" i4 o- z# `6 x
计算机辅助实物反求首先要对实物进行参数、形体测量，然后计算机根据测量数据重构出实物的CAD模型。具体过程如下：" G/ X3 c4 y  C) f- o, j- h
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1）对象数字化（object digitization）：指利用相关的测量设备，根据产品模型测量得到空间拓扑离散点数据，并将测量结果以文件或数据库的方式存储。对象数字化是实物反求设计中最基本的、必不可少的步骤，通常采用三坐标测量机、三维激光扫描仪、三维数字化仪、物体多角度照片等数字化方法来快速、准确地获取数据。当得到了较完整的采样数据以后，可通过三维图形处理技术将采样数据以三维图形的方式显示出来，得到直观简略的产品结构外形。此外还需要对测量数据作些编辑处理，比如删除噪声点、增加必要的补偿点，数据分割、压缩等。
, x* f& o9 ?  v. F1 Y- o, V0 ~- D# c2）对象的模型重构（object modeling）：指根据空间拓扑离散点数据反求出产品的三维CAD模型，并在产品对象分析和插值检测后，对模型进行逼近调整和优化。
6 K+ j( \$ K  r3）对象分析（object analysis）：指将模型和设计表征用于产品的表面分析、有限元分析和工艺分析，并将分析结果以文件或数据库的方式存储起来，以备其他模块检索调用。, s: b3 B+ P: U) D
4）对象加工（object manufacturing）：根据分析结果生成NC加工代码，并在NC设备上将反求对象加工出来。
9 Z# S- E- Z7 }# v# m5）对象检验与修正（Inspection & Modification）：采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重构的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的设计要求。
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如图6-5所示是高尔夫球拍自由曲面的反求设计。a图是高尔夫球拍自由曲面扫描数据点云。采用扫描技术对自由曲面进行密集测量，将采集到数兆字节的数据，有时甚至达到数十兆字节，这样的测量结果可形象地称之为“点云”数据。数据量大，不便于快速处理，甚至CAD系统无法接受，因此，一般在计算机辅助反求设计中，经常需要将数据压缩，压缩之后，数据量将大幅下降。b图是压缩之后的扫描数据点。将这些数据点读入到CAD系统，生成NURBS曲面。c图是重构之后的高尔夫球拍NURBS自由曲面。
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; b" Z6 v+ T4 O3 \9 \& `8 T随着计算机技术的飞速发展，在反求设计中应用计算机辅助技术可大大缩短新产品开发周期。在实物反求设计中，尤其是象一些汽车覆盖件、叶片等自由曲面零件，计算机辅助设计已具有广泛的应用。
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$ B; \0 N4 M3 W5 E& N2 {: m  O一、计算机辅助实物反求设计
) \5 }2 q% S# X% q计算机辅助实物反求首先要对实物进行参数、形体测量，然后计算机根据测量数据重构出实物的CAD模型。具体过程如下：! s% z; i" T# W. s+ k) I

0 y2 r7 S( A8 Y4 `) K6 D6 P$ `# b1）对象数字化（object digitization）：指利用相关的测量设备，根据产品模型测量得到空间拓扑离散点数据，并将测量结果以文件或数据库的方式存储。对象数字化是实物反求设计中最基本的、必不可少的步骤，通常采用三坐标测量机、三维激光扫描仪、三维数字化仪、物体多角度照片等数字化方法来快速、准确地获取数据。当得到了较完整的采样数据以后，可通过三维图形处理技术将采样数据以三维图形的方式显示出来，得到直观简略的产品结构外形。此外还需要对测量数据作些编辑处理，比如删除噪声点、增加必要的补偿点，数据分割、压缩等。3 a% P0 x) g) X. q3 _' V  l5 m
2）对象的模型重构（object modeling）：指根据空间拓扑离散点数据反求出产品的三维CAD模型，并在产品对象分析和插值检测后，对模型进行逼近调整和优化。
$ L3 M% K. _% k3）对象分析（object analysis）：指将模型和设计表征用于产品的表面分析、有限元分析和工艺分析，并将分析结果以文件或数据库的方式存储起来，以备其他模块检索调用。# `* y! Y- O8 h5 p
4）对象加工（object manufacturing）：根据分析结果生成NC加工代码，并在NC设备上将反求对象加工出来。/ R, ?0 \/ M, t( S
5）对象检验与修正（Inspection & Modification）：采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重构的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的设计要求。. g* G5 i8 V% U9 x

/ ^- j. x0 H) N1 j如图6-5所示是高尔夫球拍自由曲面的反求设计。a图是高尔夫球拍自由曲面扫描数据点云。采用扫描技术对自由曲面进行密集测量，将采集到数兆字节的数据，有时甚至达到数十兆字节，这样的测量结果可形象地称之为“点云”数据。数据量大，不便于快速处理，甚至CAD系统无法接受，因此，一般在计算机辅助反求设计中，经常需要将数据压缩，压缩之后，数据量将大幅下降。b图是压缩之后的扫描数据点。将这些数据点读入到CAD系统，生成NURBS曲面。c图是重构之后的高尔夫球拍NURBS自由曲面。' h1 h+ o8 {7 X

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$ h% Q1 k# a7 V" a& s( _二、反求设计与快速成型技术（RP）  K$ |  x8 d) W# f6 W
（一）快速成型技术简介$ Z8 P6 q" D$ z
快速成形（RP-Rapid Prototyping）技术是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，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。9 M( A. S3 X4 N2 U
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快速成形技术的基本过程（如图6-7所示）：
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& w) k; U% t. h8 W8 p1．由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型；
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& F0 G5 D" N) R( z5 }! S. h2．将三维模型沿一定方向（通常为Z向）离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层）；0 `- `# v0 k. _3 D
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3．根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码；
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: G' k0 A$ a# ]5 ]0 N- P& j( a4．成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体。; M' q9 K0 f; z0 Z
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/ o% J  {  ]. o8 v) c+ _这样将一个物理实体的复杂的三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，且成形过程的难度与待成形的物理实体形状和结构的复杂程度无关。
  m9 i$ W4 R: \4 d- \7 A$ I由于反求工程对于复杂零件模型数据的提取是非常有利的工具，而快速成型技术又不受模型几何形状的限制，可以快速地将测量数据复原成实体模型，所以，反求工程与RP技术的结合，实现了零件的快速三维拷贝，若经过CAD重新建模或快速成型工艺参数的调整，还可以实现零件或模型的变异复原。6 j, X2 U' J! u) L0 P, A
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反求设计与RP技术相结合的过程如图6-8所示。
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为了实现快速产品开发，设计工程师常常要以已知的样件（模型）为依据或参考原形，进行仿形、改造设计或工业造型设计。比如，在摩托车、汽车车身覆盖件及装饰件等的工业设计和详细设计中，形状独特而复杂的自由曲面件一般不能直接建立CAD模型，往往是以制件模型（如粘土模型、油泥模型等）或经过手工进行修改后的样件为设计原形；没有图纸或图纸无法得到的已知复杂形面的产品造型或磨损零件，等等。这时就要求根据这些模型的表面测量数据，基于新的设计概念和功能描述重构CAD模型，然后进行快速成型并进行反复优化评估，直至得到满意的设计结果。
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; O$ r8 F; m$ _8 Y. u+ Q+ G比如，高尔夫球透的设计过程往往需要一个或几个模型进行样式的创意和评估，这种模型一般是用铜料手工制作的，并且一般是壁厚尺寸1.5mm~2.5mm的中空结构。虽然制作的模型能充分体现球头的样式和形象感觉，但是由于与真实球头的重量差别很大，不能进行打击实验。反求设计与RP技术相结合可以解决这个问题：首先用激光扫描仪对原模型进行扫描测量，将测量数据直接转换成STL文件，再对STL格式表达的实心模型进行镂空处理，使之成为空心的结构模型。这样用快速成型技术制作出空心球头的铸造用样式，经过精密铸造就可得到钛合金的球头样件。这时的样件已成为具有使用功能的样件，利用它可对该球头的设计进行重量、重心、击打感觉评价。* V9 |% Q! Q& y
实例充分体现了反求技术与RP技术结合再产品设计中的作用。从初始模型到快速成型样件的过程正是产品从粗放型设计到详细设计的过程，也是设计评价从外表和局部走向全面和细化的过程，这一过程可以减少产品的设计错误，为后续生产打下一个良好的基础。
/ L+ J$ }* W0 q在反求设计中应用快速成型技术可以大大地缩短产品的生产周期，降低产品成本。
  H4 |( u" a* Y$ z' d比如，加拿大Calgary的一家自行车轮胎制造厂，用传统方法设计制作一套轮胎母模要花费6~8周时间。在使用了快速成型机，将快速成型技术和反求设计方法相结合后，仅用了短短的8小时，便可制出所需模型，工效提高了40倍。
4 Z! t& U# J  L5 K2 _1 V8 }又比如，某种摩托车的前面板上包含了一个前大灯和两个侧灯的外罩，它们与面板构成一个完整的曲面，用反求设计和快速成型技术相结合的方法可对该覆盖件进行详细设计。整个工艺工程是：首先由模型工根据摩托车的整体形象要求用油泥制作概念模型，经评审满意后用三坐标测量仪进行数据化，测量数据用CAD软件进行整理并转换成曲面模型，再转换成实体模型进行细节设计，增加筋、孔和车灯的轮廓等结构，最后由成型机制作出样件模型，经过打磨和喷漆处理后装在摩托车上进行外观、装配等检验，整个过程从完成三坐标测量到得到样件仅用7天时间，此时得到的样件模型已不同与最初的油泥模型，而成为与实际零件壁厚、尺寸一致、筋、孔等结构齐全的零件模型，这比油泥模型无疑是一个很大的进步。如果这时需对模型进行修改，只需在CAD系统上就可完成。当模型的外观和细部结构确定无误后，就可利用最后的模型数据进行模具设计和加工。