逆向設計及其檢測技術圖書目錄

二維碼索引表

項目一逆向工程技術概述1

任務一逆向工程技術基礎認知1

任務二逆向工程技術應用了解6

項目訓練與考核9

項目小結(jié)10

思考題10

項目二三維掃描與數(shù)據(jù)處理11

任務一三維掃描技術認知12

任務二焊槍外形的三維掃描18

任務三焊槍外形的三角網(wǎng)格結(jié)構數(shù)據(jù)

處理33

項目訓練與考核43

項目小結(jié)43

思考題44

項目三坐標對齊與CAD數(shù)模重構45

任務一Geomagic Design X軟件認知46

任務二數(shù)據(jù)對齊與逆向設計55

任務三焊槍外形的數(shù)模重構64

項目訓練與考核88

項目小結(jié)88

思考題88

項目四Geomagic Control數(shù)據(jù)分析與

檢測89

任務一Geomagic Control軟件認知89

任務二板類零件Geomagic Control數(shù)據(jù)

分析與檢測104

項目訓練與考核125

項目小結(jié)126

思考題126

項目五VXinspect數(shù)據(jù)分析與檢測127

任務一VXinspect軟件認知127

任務二板類零件VXinspect數(shù)據(jù)分析與

檢測138

項目訓練與考核154

項目小結(jié)155

思考題155

項目六綜合訓練156

任務一自行車車燈的三維掃描和CAD

數(shù)模重構156

任務二箱體類零件的三維掃描和分析

檢測195

項目訓練與考核219

項目小結(jié)220

思考題220

參考文獻221

本書從逆向設計及其質(zhì)量檢測技術應用需求出發(fā)，以焊槍、板類零件、自行車車燈、箱體類零件等典型產(chǎn)品的逆向設計為項目載體，依據(jù)產(chǎn)品的逆向設計和質(zhì)量檢測流程安排任務，在流程中體現(xiàn)設計任務，在任務中深化流程，結(jié)構體系清晰，便于學習和理解。 本書包括六個項目，每個項目由若干個任務構成。項目一介紹了逆向工程的概念、工藝路線、工作流程及逆向工程技術的應用領域；項目二介紹了數(shù)據(jù)采集的方法、三維掃描流程及HandySCAN 3D手持式三維激光掃描儀的使用，以焊槍為載體，進行外形三維掃描，并進行焊槍外形三角網(wǎng)格結(jié)構數(shù)據(jù)處理；項目三介紹了使用Geomagic Design X逆向設計軟件進行坐標對齊與CAD數(shù)模重構的方法，并進行焊槍外形數(shù)模重構；項目四應用Geomagic Control軟件進行板類零件的數(shù)據(jù)分析與檢測，并創(chuàng)建檢測報告；項目五應用VXinspect軟件進行板類零件的數(shù)據(jù)分析與檢測，并創(chuàng)建檢測報告；項目六是綜合訓練，包含自行車車燈的三維掃描和CAD數(shù)模重構，以及箱體類零件的三維掃描和分析檢測兩個綜合案例。同時，為增強表達效果，本書雙色印刷，并設置彩色插頁和二維碼，輔助展示彩色圖像和學習理解。 本書可作為應用型本科、高職高專等院校模具設計與制造、機械設計與制造、機械制造與自動化、工業(yè)設計等專業(yè)的教材，也可以作為從事逆向設計及質(zhì)量檢測技術工作人員的培訓教材或參考用書。

在飛機、汽車、工藝美術品和模具等行業(yè)的設計和制造中，通常是由復雜的自由曲面拼接而成，因此在概念設計階段難以用嚴密、統(tǒng)一的數(shù)學語言來描述。這些產(chǎn)品的初始模型是通過對事先制造出的木制或泥制模型來實現(xiàn)數(shù)字化產(chǎn)生的。近年來，逆向設計法在產(chǎn)品造型設計中形成并逐漸走向成熟。

由于產(chǎn)品造型的逆向設計有起點低、成本低、周期短、易改型、易創(chuàng)新等特性，自出現(xiàn)以來便受到了現(xiàn)代工業(yè)設計師的關注。該技術在下面幾方面得到了廣泛應用：

a．用于汽車、摩托車等具有較復雜曲面外型產(chǎn)品的修復與改型設計中；

b．用于設計與制造個性化的產(chǎn)品，如人體擬合、太空服裝設計、假肢設計等；

c．根據(jù)客戶樣件進行模具設計時，該項技術可使自動化程度大大提高；

d．在樣件缺少圖形文件時，可用逆向設計來生成圖形文件：

e．在快速原形制造中逆向設計可實現(xiàn)原形產(chǎn)品的快速準確建模并進行重新設計。

f．用于對產(chǎn)品模型進行運動模擬和仿真,代表軟件：cmosmotion works；

h. 對產(chǎn)品模型的受力情況進行仿真,代表軟件:cmosxpress；

g. 對注塑件進行注塑分析，代表軟件：Mouldflow Plastics Insight、Solidworks moldflow xpress;

逆向設計的一般流程：

產(chǎn)品樣件 →數(shù)據(jù)采集→ 數(shù)據(jù)處理CAD/CAE/CAM系統(tǒng) → 模型重構 →制造系統(tǒng)→ 新產(chǎn)品。

在逆向設計的這些環(huán)節(jié)中，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模型重構是產(chǎn)品逆向設計的三大關鍵環(huán)節(jié)。

逆向設計數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集(樣件的表面數(shù)字化)是進行產(chǎn)品逆向設計的第一步。一般而言，數(shù)據(jù)采集有接觸式與非接觸式兩種測量方式。

接觸式測量根據(jù)測頭的不同，可分為觸發(fā)式和連續(xù)式。應用最廣泛的接觸式測量儀器是20世紀60年代發(fā)展起來的高效精密的三坐標測量機，它是有很強柔性的大型測量設備。接觸式測量對物體的表面的顏色和光照沒有要求，因此物體邊界的測量相對精確，但對軟質(zhì)材料適應差且速度慢。

非接觸式測量根據(jù)原理的不同，可以分為三角形法、結(jié)構光法、計算機視覺法、激光干涉法、激光衍射法、CT測量法、MR測量法、超聲波法和層析法。通常使用非接觸式測量在采集實物模型的表面資料時，采集速度快，可形成“點云”資料，缺點是精度較低而且對樣件表面和光照有較高的要求。

逆向設計數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理的結(jié)果將影響模型重構的質(zhì)量。在此階段一般應進行數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)分塊、數(shù)據(jù)光順、三角化、數(shù)據(jù)優(yōu)化、多視拼合、噪聲濾波、拓撲建立、特征提取等工作。

逆向設計模型重構

模型的重構也就是通常所說的逆向造型過程，重構的方案主要有三種，每一種都有不同的適用場合：

1)以B-Spline或NURBS曲面為基礎的曲面構造法，

2)以三角Bezier曲面片為基礎的曲面構造法；

3)以多面體面片為基礎的曲面構造法。

在某些特定的歷史階段，有些國家往往參照其他國家原準機（而非自己國家自身產(chǎn)品）“設計”的“原準法”進行飛機的研制。這個過程，甚至是一個尺寸都不能改或不敢改的測繪仿制。多數(shù)情況下沒有圖紙、只有實物，由實物反推圖紙、反推設計、反推需求。

那是一個充滿了執(zhí)果索因的逆行之旅。

基于“原準法”的測繪仿制是典型的逆向設計活動。特別是在早期武器裝備的測繪仿制過程中，存在大量的相對低水平的逆向設計活動（如圖1紅色箭頭所示），即僅由實物反推到圖紙、反推到設計，而無需反求到軍方原始需求。例如，測繪僅能測得零件的實際尺寸，但公差如何給，絕對是個技術活（公差配合的精度很大程度上決定了零件的可靠性和使用壽命），這一步的逆向，正所謂知其然知其所以然。

盡管這種反推，取得了一些成就。然而，歷史的發(fā)展也證明，這種不需承擔技術風險的“原準法”并非始終有效的設計方法，在設計理論上沒有得到合理闡述，在航空發(fā)展史上僅有非常有限、而非明顯的促進作用，其出現(xiàn)是特定歷史條件的產(chǎn)物，并不是航空航天產(chǎn)品等復雜系統(tǒng)設計本身的規(guī)律所決定，已被各國所摒棄。

在經(jīng)濟日益國際化、市場化的今天，復雜產(chǎn)品和系統(tǒng)的測繪仿制已不可行。而隨著知識產(chǎn)權保護的理念日益得以鞏固，中國市場正向設計的主戰(zhàn)場，已經(jīng)拉開。

然而花了真金白銀買了國外產(chǎn)品的圖紙和專利技術等知識產(chǎn)權的引進消化吸收，不能簡單地認為是逆向設計或逆向工程，而需要具體情況具體分析。

消化吸收再創(chuàng)新，和逃避技術風險的“原準法”目的不同，這里一定包含了反推到需求的高水平的逆向設計活動（如圖1綠色箭頭所示），特別是在消化吸收階段；而到了再創(chuàng)新階段，則是再次進入了完整的正向設計過程。

中國航空行業(yè)有兩個非常典型的引進消化吸收的例子，一是上世紀七十年代引進英國斯貝航空發(fā)動機，歷時30年到2003年完成國產(chǎn)化；一是上世紀九十年代從俄羅斯引進蘇-27SK，歷時20年衍生出性能全新的殲-11B，兩者的差別十分鮮明。其他行業(yè)，高鐵是走引進消化吸收再創(chuàng)新之路比較成功的案例。

與此形成鮮明對照的是，各種汽車生產(chǎn)線的引進基本上是失敗案例。