2017年08月16日

逆向工程技術

  逆向工程的概念逆向工程(Reverse Engineerin逆向工程g,RE)是對產品設計過程的一種描述。在工程技術人員的一般概念中,產品設計過程是一個從無到有的過程,即設計人員首先在大腦中構思產品的外形、性能和大致的技術參數等,然後通過繪制圖紙建立產品的三維數字化模型,最終將這個模型轉入到制造流程中,完成產品的整個設計制造周期。這樣的產品設計過程我們稱為“正向設計”過程。逆向工程產品設計可以認為是一個“從有到無”的過程。簡單地說,逆向工程產品設計就是根據已經存在的產品模型,反向推出產品設計數據(包括設計圖紙或數字模型)的過程。從這個意義上說,逆向工程在工業設計中的應用已經很久了。早期的船舶工業中常用的船體放樣設計就是逆向工程的很好實例。隨著計算機技術在制造領域的廣泛應用,特別是數字化測量技術的迅猛發展,基於測量數據的產品造型技術成為逆向工程技術關注的主要對像。通過數字化測量設備(如坐標測量機、激光測量設備等)獲取的物體表面的空間數據,需要利用逆向工程技術建立產品的三維模型,進而利用CAM系統完成產品的制造。因此,逆向工程技術可以認為是將產品樣件轉化為三維模型的相關數字化技術和幾何建模技術的總稱。逆向工程的實施過程是多領域、多學科的協同過程。從圖1中我們可以看出,逆向工程的整個實施過程包括了從測量數據采集、處理到常規CAD/CAM系統,最終與產品數據管理系統(PDM系統)融合的過程。工程的實施需要人員和技術的高度協同、融合。

  二、逆向工程實施原理:逆向工程在CAD/CAM系統中的作用逆向工程技術不是一個孤立的技術,它和測量技術及現有CAD/CAM系統有著千絲萬縷的聯系。但是在實際應用過程中,由於大多數工程技術人員對逆向工程技術不夠了解,將逆向工程技術與現有CAD/CAM技術等同起來,用現有CAD/CAM系統的技術水平要求逆向工程技術,往往造成人們對逆向工程技術的不信任和誤解。從理論角度分析,逆向工程技術能夠按照產品的測量數據重建出與現有CAD/CAM系統完全兼容的三維模型,這是逆向工程技術的最終實現目標。但是我們應該看到,目前人們所掌握的技術,包括工程上的和純理論上的(如曲面建模理論),都還無法滿足這種要求。特別是針對目前比較流行的大規模“點雲”數據建模,更是遠未達到可以直接在CAD系統中應用的程度。因此我們認為,目前逆向工程CAD技術與現有CAD/CAM系統的關系只能是一種相輔相成的關系。現有CAD/CAM系統經過幾十年的發展,無論從理論還是實際應用上都已經十分成熟,在這種狀況下,現有CAD/CAM系統不會也不可能為了滿足逆向工程建模的特殊要求變更系統底層。另一方面,逆向工程技術中用到的大量建模方法完全可以借鑒現有CAD/CAM系統,不需要另外搭建新平台。基於這種分析,我們認為逆向工程技術在整個制造體系鏈中處於從屬、輔助建模的地位,逆向工程技術可以利用現有CAD/CAM系統,幫助其實現自身無法完成的工作。有了這種認識,我們就可以明白為什麼逆向工程技術(包括相應的軟件)始終不是市場上的主流,而大多數CAD/CAM系統又均包含逆向工程模塊或第三方軟件包這樣一種情況。

  三、逆向工程技術在模具行業中的應用從逆向工程的概念和技術特點可以看出,逆向工程的應用領域主要是飛機、汽車、玩具和家電等模具相關行業。近年來隨著生物、材料技術的發展,逆向工程技術也開始應用在人工生物骨骼等醫學領域。但是其最主要的應用領域還是在模具行業。由於模具制造過程中經常需要反復試衝和修改模具型面。若測量最終符合要求的模具並反求出其數字化模型,在重復制造該模具時就可運用這一備用數字模型生成加工程序,可以大大提高模具生產效率,降低模具制造成本。逆向工程技術在我國,特別是以生產各種汽車、玩具配套件的地區、企業有著十分廣闊的應用前景。這些地區、企業經常需要根據客戶提供的樣件制造出模具或直接加工出產品。在這些企業,測量設備和CAD/CAM系統是必不可少的,但是由於逆向工程技術應用不夠完善,嚴重影響了產品的精度以及生產周期。因此,逆向工程技術與CAD/CAM系統的結合對這些企業的應用有重要意義。這一點我們在多年的技術服務過程中深有體會。一方面各個模具企業非常歡迎在企業推廣逆向工程技術,但另一方面又苦於缺乏必要的指導和合適的軟件產品。這種情況嚴重制約了逆向工程技術在模具行業的推廣。與CAD/CAM系統在我國幾十年的應用時間相比,逆向工程技術為工程技術人員所了解只有十幾年甚至幾年的時間。時間雖短,但逆向工程技術廣泛的應用前景已經為大多數工程技術人員所關注,這對提高我國模具制造行業的整體技術含量,進而提高產品的市場競爭力具有重要的推動作用。

  四、逆向工程軟件逆向工程的實施需要逆向工程軟件的支撐。逆向工程軟件的主要作用是接收來自測量設備的產品數據,通過一系列的編輯操作,得到品質優良的曲線或曲面模型,並通過標准數據格式將這些曲線曲面數據輸送到現有CAD/CAM系統中,在這些系統中完成最終的產品造型。由於無法完全滿足用戶對產品造型的需求,因此逆向工程CAD軟件很難與現有主流CAD/CAM系統,如CATIA、UG、Pro/ENGINEER和SolidWorks等抗衡。很多逆向工程軟件成為這些CAD/CAM系統的第三方軟件。如UG采用ImageWare作為UG系列產品中完成逆向工程造型的軟件,Pro/ENGINEER采用ICEM Surf作為逆向工程模塊的支撐軟件。此外還有一些獨立的逆向工程軟件,如GeoMagic等,這些軟件一般具有多元化的功能。例如,GeoMagic除了處理幾何曲面造型以外,還可以處理以CT、MRI數據為代表的斷層界面數據造型,從而使軟件在醫療成像領域具有相當的競爭力。另外一些逆向工程軟件作為整體系列軟件產品中的一部分,無論數據模型還是幾何引擎均與系列產品中的其他組件保持一致,這樣做的好處是逆向工程軟件產生的模型可以直接進入CAD或CAM模塊中,實現了數據的無縫集成,這類軟件的代表是DELCAM的CopyCAD。下面介紹幾個比較著名的逆向工程軟件。GeoMagic(www。geomaigc。com)美國RainDrop的逆向工程軟件,具有豐富的數據處理手段,可以根據測量數據快速構造出多張連續的曲面模型。軟件的應用領域包括了從工業設計到醫療仿真等諸多方面,用戶包括通用汽車、BMW等大制造商。ImageWare(www。imageware。com)作為UG NX中提供的逆向工程造型軟件,ImageWare具有強大的測量數據處理、曲面造型、誤差檢測功能。可以處理幾萬至幾百萬的點雲數據。根據這些點雲數據構造的A級曲面(CLASS A)具有良好的品質和曲面連續性。ImageWare的模型檢測功能可以方便、直觀地顯示所構造的曲面模型與實際測量數據之間的誤差以及平面度、真圓度等幾何公差。CopyCAD(www。delcam。com)CopyCAD是英國DELCAM系列CAD產品中的一個,主要處理測量數據的曲面造型。DELCAM的產品涵蓋了從設計到制造、檢測的全過程。包括PowerSHAPE、PowerMILL、PowerINSPECT、ArtCAM、CopyCAD、PS-TEAM等諸多軟件產品。作為系列產品的一部分,CopyCAD與系列中的其他軟件可以很好地集成。RapidForm(www。rapidform。com)RapidForm是由韓國INUS開發的逆向工程軟件。主要用於處理測量、掃描數據的曲面建模以及基於CT數據的醫療圖像建模,還可以完成藝術品的測量建模以及高級圖形生成。RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、曲面檢測的工具,用戶可以方便的利用以前構造的曲線網格經過縮放處理後應用到新的模型重構過程中。以上介紹的是目前較常見的逆向工程軟件,在國內能夠見到的商品化的逆向工程軟件均是國外的。國內在逆向工程軟件方面雖然也有研究,但是主要集中在幾所高校。其中以清華大學、浙江大學、南京航空航天大學在這方面的研究比較深入,這些研究成果也有一些以軟件產品形式出現,由於系統穩定性、可操作性等方面的原因,這些研究性軟件還沒有完全具備與國外商業化軟件競爭的條件。由國內逆向工程領域專業人士參與開發的逆向工程軟件QuickForm 是國內逆向工程軟件中較好的一個。該系統采用先進的幾何引擎,運行穩定性好,具有良好的可操作性。由於開發人員具有豐富的逆向工程實施經驗,因此系統中的功能設置、操作方式符合國內用戶的習慣,這是國外軟件所無法具備的。QuickForm的另一個優勢是價格優勢,QuickForm的價格在同類軟件中具有極強的競爭力。
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分析樣品的方法選擇

  分析方法的選擇

  一、選擇粒度分析方法應考樣品慮的因素

  樣品中待測成分的分析方法往往很多,怎樣選擇最恰當的粒度分析方法?一般地說,應該綜合考慮下列各因素。

  1。分析要求的准確度和精密度

  不同分析方法的靈敏度、選擇性、准確度、精密度各不相同。要根據生產和科研工作對分析結果要求的准確度和精密度來選擇適當的分析方法。

  2。分析方法的繁簡和速度

  不同分析方法操作步驟的繁簡程度和所需時間及勞力各不相同,每樣次分析的費用也不同。要根據待測樣品的數目和要求取得分析結果的時間等來選擇適當的分析方法,同一樣品需要測定幾種成分時,應盡可能選用同一份樣品處理液同時測定該幾種成分的方法。

  3。樣品的特性RP

  各類樣品中待測成分的形態和含量不同,可能存在的干擾物質及其含量不同,樣3D列印品的溶解和待測成分的提取的難易程度也不相同。要根據樣品的這些特征來選擇制備待測液、定量某成分和消除干擾的適宜方法。

  4。現有條件

  分析工作一般在實驗室進行,各級實驗室的設備條件和技術條件也不相同,應根據具體條件來選擇適當打樣的分析方法。在具體情況下究竟選用哪一種方法,必須綜合考慮上述各項因素,但首先必須了解各類方法的特點,如方法的精密度、准度、靈敏度等逆向工程,以便加以比較。
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數碼打樣原理及數碼打樣設備

  數碼打樣的原理

  數碼打樣是一個由數打樣字化色彩管理軟件和專業彩色打印機組成的應用系統。目前數碼打樣色彩管理的原理與實現方式主要有三種:

  第一種是采用ICC私彩匹配理論與技術,使用分光度儀,通過印刷樣張和打印樣張的色彩匹配,形成ICRPCProfile文件來管理與調試色彩。它是今後的發展方向,但目前ICC技術處於完善過程中,在國內生產條件多樣、資金有限、人員與管理水平較低的條件下還存在設備資金要求較高、使用復雜等問題。

  第二種是采用傳統色彩控制理論,給予3D列印反射密度來通過模擬傳統打樣的控制方式,通過控制密度和網點來實現色彩管理,它是ICC方式樣品控制色彩管理的基礎,是傳統打樣向數碼打樣過渡的色彩管理技術,但也存在對操作人員理論與技術要求高的問題。

  第三種是將第一終於第二種融合的混合色彩管理方式,針對國內印刷生產的實際狀況,采用混合色彩管理方式的數碼打樣系統效果較好,且易於掌握。

  目前,數字打樣的軟件分三種類型:

  一是針對版面設計的設計打樣(Designproof);

  二是針對色彩效果的色彩打樣(Colorproof);

  三是針對色彩及網點效果的網點打樣(Screenproof)。其中色彩打樣用途最廣。

  數碼打樣設備

  1。噴墨打印機

  噴墨打逆向工程印機利用熱發泡式原理將墨水通過噴嘴噴到承印材料上形成影像。這種打樣技術打印精度高,彩色功能強,體積小,重量輕,價格便宜,在印刷行業廣泛采用。

  2。熱升華打印機

  這種打樣系統利用一個包含數千個加熱元件的打印頭和含有CMYK顏色的色帶來進行打樣。打印頭可產生256級不同熱度,是固態的顏料升華成蒸汽並凝結在接收介質上。在每個點的中央部位,顏色較深,邊緣部位顏色較淺。當打印的四色顏料相互融合在一起就形成了連續調圖像。這種打印機打印的圖像色調連續,接近彩色照片的輸出質量,色彩十分絢麗,但成本高,打印數度也較慢,適合於高檔用戶需要。

  3。熱轉印式彩色打印機

  它是利用打印頭上的發熱元件加熱,使色帶上的固態油墨轉印到打印媒體上。這種打印機打印質量高,且速度快,樣張接近印刷效果,易實現高清晰度的打印,應用較為廣泛。

  4。彩色激光打印機

  彩色激光打印機是在黑白激光打印機的基礎上發展起來的。它利用激光束掃描光鼓,通過控制激光束的開與關使感光鼓吸與不吸墨粉,感光鼓再把吸附的墨粉轉印到紙上形成打印圖像。該打印系統精度高,但目前色粉的色相尚不夠理想,色域不夠寬,模擬印刷的水平有限。
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