林承全

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          模具CAD/CAM领域的新技术简单介绍

     目前切削加工仍是当今主要的机械加工方法，在机械制造业中有着重要的地位，但如何提高其效率、精度、质量成为传统机械加工面临的问题。20世纪90年代，以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的高速加工（High Speed Machining，HSM）已经成为现代数控加工技术的重要发展方向之一，也是目前制造业一项快速发展的高新技术。

一、   高速加工概述

高速加工概念起源于德国切削物理学家卡尔•萨洛蒙（Carl Salomon）著名的切削实验及其物理延伸，1929年他进行了高速加工模拟实验，1931年发表了高速加工理论，提出了高速加工假设。他认为一定的工作材料对应有一个临界切削速度，其切削温度最高；在常规切削范围内切削温度随着切削速度的增大而升高，当切削速度达到临界切削速度后，切削速度再增大，切削温度反而下降，如图8-1所示，人们将该曲线称为萨洛蒙曲线。这个理论给人们一个非常重要的启示：加工时如果能超过图中所示的B区，而在高速区进行切削，则有可能用现有的刀具进行高速加工，从而大大地减少加工时间，成倍地提高机床的生产率。这一理论的发现为人们提供了一种在低温低能耗条件下实现高效率切削金属的方法。

 

二、   高速加工的定义

从高速加工技术诞生至今，人们很难为高速加工做一个明确的界定，因为高速加工并不能简单地用切削速度这一参数来定义，在不同的技术发展时期、对不同的切削条件、用不同的切削刀具、加工不同的工件材料，其合理的切削速度是不一样的。

从切削机理角度看，高速加工时，切削温度应随切削速度的增大而降低；从切削技术角度看，高速加工是以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的加工技术，它所采用的切削参数要比传统工艺所采用的切削参数高几倍甚至几十倍。因此，目前通常把切削速度比常规切削速度高5~10倍以上的切削称为高速加工，但对于不同的材料、不同的切削方式，其高速加工的切削速度并不相同。早期高速加工主要用于航空航天工业铝合金零件的加工，从20世纪80年代开始，由于高速加工机床功能部件（如高速主轴、进给系统）技术取得了一定的进展及对刀具技术的深入研究，高速加工也开始应用于一般金属零件的加工。进入90年代后，由于高速加工机床许多关键部件研究取得突破，机床性能有了很大的提高，同时设备价格开始下降，高速加工技术受到了许多制造企业的关注。

对于当今广泛使用的数控机床、加工中心等投资费用较高的加工装备，只有大幅度降低切削工时才能进一步提高其生产效率，而大幅度降低工时，只有通过提高切削速度和进给速度的方式才能实现，所以发展高速加工技术具有十分重要的意义。

1. 高速加工中心的类型

高速加工机床有高速加工中心、高速车床、高速钻床、高速铣床、高速磨床等，其中高速加工中心最为典型。按高速机床必须具备高主轴转速和高进给速度与加速度的技术特征，通常将高速加工中心分为两类：

1)   以高转速为主要特征的高速加工中心，即HSM（High Speed Machining）型，这类机床一般只具有高转速而没有高进给速度。

2)   以高移动速度为主要特征的高速加工中心, 即HVM（High Velocity Machining）型，这类机床不仅具有高主轴转速，且具有高进给速度。

2. 高速加工的特点

加工效率高  由于切削速度高，进给速度一般也提高5~10倍，这样，单位时间材料切除率可提高3~6倍，因此加工效率大大提高。如高速铣削加工，当切削深度和每齿进给量保持不变时，进给速度可比常规铣削提高5~10倍，材料切除率可提高3~5倍。

切削力小  传统的切削加工采用“重切削”方式，而高速加工采用“轻切削”方式，即传统的切削加工方式一般采用大切削深度、低进给速度进行加工，要求机床主轴在低转速时能提供较高的扭矩，其结果是一方面切削力大，另一方面机床和工件都承受较大的力；而高速加工则采用小切削深度、高主轴转速和高进给速度进行加工，由于切削速度高，切屑流出的速度快，减少了切屑与刀具前面的摩擦，从而使切削力大大降低。

热变形小  高速加工过程中，由于极高的进给速度，95%的切削热被切屑带走，工件基本保持冷态，这样零件不会由于温升而导致变形。

加工精度高  高速加工机床激振频率很高，已远远超出“机床-刀具-工件”工艺系统的固有频率范围，这使得零件几乎处于“无振动”状态加工；同时在高速加工速度下，积屑瘤、表面残余应力和加工硬化均受到抑制，减小表面硬化层深度及表面层微观组织的热损伤，因此用高速加工的表面几乎可与磨削相比。

简化工艺流程  由于高速铣削的表面质量可达磨削加工的效果，因此有些场合高速加工可作为零件的精加工工序，从而简化了工艺流程，缩短了零件加工时间。

综上所述，高速加工是以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的加工技术，高速加工可以缩短加工时间，提高生产效率和机床利用率；工件热变形小，加工精度高，表面质量好；适合加工薄壁、刚性较差、容易产生热变形的零件，加工工艺范围广，因此，在实际应用中，高速加工具有较好的技术经济性。

三、   高速加工的关键技术

高速加工技术的开发与研究，主要集中在刀具技术、机床技术、CAM软件等几个方面。

1. 刀具技术高速加工刀具必须与工件材料的化学亲和力小，具有优良的机械性能、化学稳定性和热稳定性，良好的抗冲击和热疲劳特性。高速加工通常采用具有良好热稳定性的硬质合金涂层刀具、立方氮化硼（CBN）、陶瓷刀具和聚晶金刚石刀具。硬质合金涂层刀具由于刀具基体具有较高的韧性和抗弯强度，涂层材料高温耐磨性好，因此适用于高进给速度和高切削速度的场合；陶瓷刀具与金属的化学亲和力小，高温硬度优于硬质合金，所以它适用于切削速度和进给速度更高的场合；立方氮化硼刀具具有高硬度、良好的耐磨性和高温化学稳定性，适合于加工淬火钢、冷硬铸铁、镍基合金等材料；聚晶金刚石刀具的磨擦系数低、耐磨性极强，导热性好，特别适合于加工难加工材料和粘结性强的有色金属。刀具夹紧技术是快速安全生产的重要保障。由于传统的长锥刀柄不适合用于高速加工，所以在高速加工中，采用刀柄锥部和端面同时与主轴内锥孔和端面接触的双定位刀柄，如德国的HSK空心刀柄。这种刀柄不需要拉钉，主轴锁紧装置充分考虑离心力的影响，夹持力一般随主轴转速的提高而自动增大。2. 机床技术性能良好的数控机床是实现高速加工的关键因素。从原理上说，高速加工机床与普通数控机床并没有本质区别。但高速机床为了适应高速加工时主轴转速高、进给速度快、机床运动部件加速度高等要求，在主轴单元、进给系统、CNC系统和机械系统等方面比普通数控机床具有更高的要求。(1) 高速主轴  高速主轴是高速加工机床的核心部件。当主轴转速不断提高时，传统的齿轮—皮带变速主传动系统由于本身的振动、噪声等原因已不能适应高速加工的要求，随着电气传动技术的迅速发展和在高速加工机床中的应用，高速加工机床的主传动结构已发生了很大的变化：由内装式电动机直接驱动代替皮带齿轮传动，从而将设备振动、噪声和主轴传动系统的转动惯量降低到最小，提高了主轴系统的刚度和固有频率，也将机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。我们通常将这种机床主轴与主轴电动机结合在一起、实现变频电动机与机床主轴一体化的传动结构形式称为电主轴。在电主轴结构中，机床主轴箱为电动机的定子，主轴为电动机的转子。电主轴采用电子传感器来控制温度，自带水冷或油冷循环系统，使主轴在高速旋转时保持恒温；同时使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使主轴免维护、寿命长、转速高。如瑞士米克朗公司生产的电主轴采用了矢量式闭环控制、动平衡较好的电主轴结构、油雾润滑的混合陶瓷轴承、可以随室温调整的温度控制系统等先进技术，确保主轴在全部工作时间内保持恒温；瑞士IBAG公司生产的主轴单元，最高转速可达12000~80000r/min；德国KAPP公司采用磁悬浮轴承生产的电主轴，其最高转速为60000r/min；美国Precise公司研制的SC40/120主轴，最高转速已达120000r/min。电主轴使用的轴承可分为接触式轴承和非接触式轴承，接触式轴承主要有滚动轴承，非接触式轴承主要有磁悬浮轴承和流体静压轴承。滚动轴承具有结构简单、刚度高、高速性能好等优点，因此在电主轴中应用较多，但应注意轴承预加载荷的自动补偿和润滑问题；磁悬浮轴承的工作原理是：电主轴依靠多副在圆周上互为180º的电磁铁产生径向方向相反的吸力或斥力而处于悬浮状态，使轴颈与轴承始终不直接接触，因此没有磨损，也不需要润滑，由于其轴线位置可通过反馈控制系统自动调节，所以回转精度极高，转速可达45000r/min，一般用于回转频率和功率较高的场合，但价格也比较高；流体静压轴承采用流体动力和流体静力相结合的方法，使主轴在流体薄膜支撑下旋转，因为轴承与主轴未直接接触，因此具有阻尼特性好、寿命长、磨损小、旋转精度高等优点，但结构较复杂，主轴工作时，带动流体搅动使流体温度升高、消耗功率大，目前应用较少。(2) 进给系统  传统的“伺服电动机+滚珠丝杠副”的进给系统已不能满足高速加工机床高速度和高加速度的要求，目前高速加工机床广泛使用直线电动机进给驱动系统。世界上第一家开发出直线电动机驱动系统的是德国Ex-cell-O公司，该公司于1993年在汉诺威国际机床博览会上展出了应用直线电动机驱动的高速加工中心；随后，美国Ingersoll公司在HVM-800型高速加工中心上也应用了直线电动机驱动系统。直线电动机按励磁方式可分为感应式直线电动机和永磁式直线电动机，Ex-cell-O公司应用的是前者，而Ingersoll公司应用的则是后者。直线电动机进给系统是由一系列安装于机床底座的磁铁（定子）和环绕在滑架上叠钢片铁芯线圈（动子）组成，利用动子脉冲电流产生的磁场和定子永磁场相互作用而产生电磁推力，带动负载动作。高速直线电动机无旋转运动，不受离心力作用，容易实现高速直线运动；同时，由于高速直线电动机克服了滚珠丝杠副反向间隙、惯性和刚度不足的缺点，实现了无接触的直接驱动，因此具有速度和加速度高、定位精度高、行程不受限制、响应速度快等优点。但由于直线电动机进给系统不能充分解决推力和重载荷问题，因此目前仍有一些高速加工机床采用传统的滚珠丝杠副传动系统。(3) 高速CNC系统  高速加工与传统数控加工虽然没有本质的区别，但由于高速切削机床的主轴转速和进给速度的大幅度提高，因此要求CNC系统运算速度快，数据处理能力强，控制精度和响应速度高；进给伺服机构能实现从低速到高速很宽范围内的任意调节，并能克服进给伺服速度高则系统跟随误差大的矛盾，这需要CNC系统具有很短的伺服周期和很高的分辨率，同时具备待加工轨迹监控和曲线插补功能。伺服周期短是指CNC系统对工作台实际位置进行一次反馈并发出一次进给指令所使用的时间更短；高分辨率是指CNC系统具有更快的程序数据处理能力，以保证在高速切削时，特别是4~5轴坐标联动加工复杂曲面轮廓时仍具有良好的数据处理能力。为此，许多高速加工机床的CNC控制系统采用多个32位甚至64位CPU，主频可达100~200MHz，有的甚至高达500MHz，并带有数据库，兼有CAM功能，具有MAP3.0通讯功能；采用C语言编程，具有工具监控功能；同时配置功能强大的后置处理软件（如几何补偿软件），具有加速预插补、前馈控制、精确矢量补偿和最佳拐角减速度控制等功能。3. CAM软件

高速加工必须具有全程自动防过切和刀具干涉检查能力，待加工轨迹监控、速度预控制、多轴变换与坐标变换实现刀具补偿、误差补偿等功能。现在高速加工计算机数控一般采用NURBS样条插补，这样可以克服直线插补时控制精度和速度的不足，提高进给速度和切削效率，而且提高复杂轮廓表面的加工精度和人员设备的安全性。实践证明，在同样精度的情况下，一条样条曲线程序段能代替5~10条直线程序段。目前大多数CAM软件并没有考虑高速加工问题。

除了上述三种技术之外，零件毛坯制造技术、生产工艺数据库、测量技术、自动生产线技术等对高速加工能否发挥其应有作用也有着重要的影响，如图8-2所示。

 

四、   高速加工技术的应用

1. 汽车行业

在大批量生产的汽车行业，面临产品快速的更新换代而形成的多品种生产，柔性生产线代替了组合机床生产线，高速加工中心则将柔性生产线的效率提高到组合机床生产线水平。

2. 模具行业

高速加工在模具行业的应用主要是电极的加工和淬硬材料的直接加工。

应用高速加工技术加工电极对电火花加工效率的提高作用非常明显。用高速加工技术加工复杂形状的电极，从而减少了电极的数量和电火花加工的次数；同时，高速加工也提高了电极的表面质量和精度，大大减少了电极和模具后续处理的工作量。

模具加工一般使用数控铣床（加工中心）完成，由于普通铣削加工很难达到模具表面质量的要求，因此通常由钳工进行手工抛光。同时，模具一般使用高硬度、耐磨性好的合金材料制成，这给模具加工带来困难；由于这些材料用普通机械加工较难完成，因此广泛采用电火花成形加工方法，这也是影响模具加工效率的主要原因。应用高速加工技术可直接加工淬硬材料，特别是硬度在HRC46~60范围内的材料，高速加工能部分取代电火花加工，这样省去了电极的制造，降低了生产成本，节约了加工时间，缩短了生产周期。

3. 航空航天行业航空航天业是高速加工的主要应用行业。对大型铸锻件、铆接件、组合件需求减少的同时，现代飞机大量采用材料为轧制厚铝板直接整体加工成形的构件，有的整体构件材料去除率高达98%，成品壁厚只有1mm，用传统的数控加工方法很难完成这样薄板零件的加工。

第二节  逆向工程技术

按照传统的产品开发流程，在产品开发过程中，一般从市场调研开始，在了解了市场需求后，抽象出产品的功能描述及产品规格，然后进行概念设计、总体设计、详细的零部件设计、制定工艺流程、设计工装夹具、完成加工、检验、装配及性能测试，最终完成产品的开发过程。这种开发模式的前提是产品开发人员已完成产品的图样设计或建立CAD模型，我们把这种从“设计思路→产品”的产品设计过程称为正向工程或顺向工程（Forward Engineering）。然而，当我们掌握的产品初始信息并不是图样或CAD模型，而是各种形式的物理模型或实物样件；或当我们期望对已有产品进行分析、改进，以期得到优化时，我们必须寻求某种方法将这些实物（样件）转化为CAD模型，使之能应用CAD/CAM/PDM/RP/RT等先进技术完成有关任务。这种产品开发方式与正向工程正好相反，它的设计流程是从实物到设计，我们将这种由“产品→设计思路”的产品开发过程称为逆向工程或反求工程RE（Reverse Engineering）。一、   逆向工程概述逆向工程是20世纪80年代后期出现的先进制造领域中的新技术，尤其在近几年得到了快速发展。它是消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合，是一门跨学科、跨专业的综合性工程。它以先进产品（设备）为研究对象，应用现代设计理论方法，分析并掌握其关键技术，进而开发出同类的先进产品。传统的复制方法是用立体雕刻机或靠模铣床制作出1：1等比例的模具，再进行批量生产，这种模拟式的复制方式无法建立零件的CAD模型和图样文件，也无法对零件模型做任何修改，因此已渐渐被新型的数字化逆向工程技术所取代。逆向工程技术最早应用于汽车飞机等行业，这些行业产品的表面绝大多数是自由曲面，很难用精确的数学模型来描述。进行新产品开发时，首先按一定比例制作产品的实物模型，并对实物模型进行测量、分析、评估、修改，直至满足要求，然后建立产品的CAD模型，最终完成新产品的开发。由于条件的限制，早期对实物模型的测量大都采用手工测量方法，这种测量方法存在效率低、精度差、对操作人员要求高等缺点。从20世纪60年代开始，随着计算机技术、CAD/CAM技术及高精度坐标测量机的发展，产品数据的采集逐渐转移到坐标测量机上完成。坐标测量机进行产品数据的采集大大提高了测量的精度和效率，也促进了逆向工程技术的使用和推广。狭义的逆向工程以实物模型为设计制造的出发点，根据所测的数据构造CAD模型，继而进行分析制造，这又称为实物逆向。广义的逆向工程不仅包括实物逆向，还包括影像逆向、软件逆向、工艺逆向等，如在城市规划中就经常会用到影像逆向。但需指出的是，任何产品的问世，不仅包含了对原有知识、技术的继承，也有对原有知识、技术的发展，因此，逆向工程并不仅仅是对原产品的简单复制，更包含了对原产品的再设计和提高。

1．   逆向工程的定义

到目前为止，逆向工程还没有一个统一的定义，但对逆向工程有两种较具代表性的观点：观点一：逆向工程是指根据现有的模型或参考零件，用测量设备获取零件表面上各点的三维坐标值，再应用测量数据建立产品的CAD模型，完成产品的概念设计。观点二：逆向工程是指首先对模型或参考零件进行数字化，然后利用CAD系统得到产品的CAD模型，结合快速成形技术制作样件或根据CAD模型进行模具的设计与制造，应用CAM软件生成数控加工程序并传送到CNC加工机床完成模具加工，如图8-3所示。 对于上述两种不同的观点，目前人们更认可第一种观点，因此本节也仅介绍第一种观点的内容。

2．   逆向工程的类型

在CAD/CAM中作为产品信息的来源主要有四种：设计思维、二维工程图、实物和产品电子信息。根据逆向工程中所使用的研究对象的不同，逆向工程分为影像逆向、软件逆向和实物逆向。就实物逆向而言，又包括形状（几何）逆向、功能逆向、材料逆向、工艺逆向等。本节将介绍面向产品模型的实物逆向和面向二维图片的影像逆向。二、   逆向技术的应用世界各国在科技和经济发展过程中，应用逆向工程技术消化吸收先进技术经验，从而发展本国的科技和经济，据统计，各国70%以上的技术源于国外，逆向工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短40%以上，极大地提高了生产率，增强了经济竞争力。因此研究逆向工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高，具有重大的意义。逆向工程的应用领域大致可分为以下几种情况：1）在没有设计图样、设计图样不完整或没有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样或CAD模型，这样可以使产品设计充分利用CAD技术的优势，并适应智能化、集成化产品设计制造过程中的信息交换。2）某些难以直接用计算机进行三维几何设计的物体（如复杂的艺术造型、人体、动植物外形），目前常用黏土、木材或泡沫塑料进行初始外形设计，再通过逆向工程将实物模型转化为三维CAD模型。3）由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，人们经常需要对已有的产品进行局部修改。在原始设计没有三维CAD模型的情况下，应用逆向工程技术建立CAD模型，再对CAD模型进行修改，这将大大缩短产品改型周期，提高生产效率。目前，我国在设计制造方面与发达国家还有一定的差距，利用逆向工程技术可以充分吸收国外先进的设计制造成果，使我国的产品设计立于更高的起点，同时加速某些产品的国产化速度，在这方面逆向工程技术均起到不可替代的作用。4）某些大型设备（如航空发动机、汽轮机组），常会因为某一零部件的损坏而无法使用。通过逆向工程手段，可以快速生产出这些零部件的替代件，从而提高设备的利用率，延长设备的使用寿命。5）借助于层析X射线摄影法（CT技术），逆向工程不仅可以产生物体的外部形态，而且可以快速发现、度量和定位物体的内部缺陷，这种方法已成为工业产品无损探伤的重要手段。6）当设计需通过实验测试才能定型的产品时，如在航天航空领域，许多零件具有复杂的自由曲面外型，为了使产品满足空气动力学的要求，常采用逆向工程的方法，首先在初始设计模型的基础上经过各种性能测试（如风洞实验等）建立符合要求的产品模型，最终为零件建立模型和设计模具提供实验依据；7）在产品外形复杂且特别注重美学设计效果的领域（如汽车外型），广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，这也需要逆向工程的设计方法；三、   实物逆向的研究内容

实物逆向一般包括数据采集（产品数字化）、数据预处理、曲面重构和建立产品模型等几个阶段。

1. 数据采集（产品数字化）

数据采集是指通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据，数据采集是逆向工程的关键技术之一。目前，数据采集使用的方法很多，常用的有接触式测量法、非接触式测量法和工业计算机断层扫描成像法三种。

(1) 接触式测量法  接触式测量法是用机械探头接触实物表面，以获取零件表面上点的三维坐标值。接触式测量法具有测量精度、准确性及可靠性高，适应性强，不受工件表面颜色影响等优点，但测量速度慢，无法测量表面松软的实物。

三坐标测量机CMM（Coordinate Measuring Machine）是目前广泛使用的、集机、光、电、算于一体的接触式精密测量设备，它一般由主机、测头和电气系统三大部分组成，其中测头是三坐标测量机的关键部件，测头的发展先进程度是CMM的发展先进程度的标志。三坐标测量机的测头可分为硬测头（机械式测头）、触发式测头和模拟式测头三种。硬测头主要用于手动测量，由操作人员移动坐标轴，当测头以一定的接触力接触到被测表面时，人工记录下该位置的坐标值，由于采用人工测量同时对测量力不易控制，因此测量速度很慢（测头每接触一次只能获取一个点的坐标值）、测量精度低，但因价格便宜，目前使用仍较普遍。触发式测头是英国Renishaw和意大利DEA等公司于20世纪90年代研制生产的新型测头，触发式测头的最大功能是它的触发功能，即当探针接触被测表面并产生一定微小的位移时，测头就发出一个电信号，利用该信号可以立即锁定当前坐标轴的位置，从而自动记录下该位置的坐标值；这种测头测量精度可达0.03mm，测量速度一般为500点/s，具有测量准确性高、对被测物体的材质和反射特性无特殊要求且不受表面颜色及曲率影响等优点，缺点是测量速度较慢、不能对软质材料物体进行测量、测头易磨损且价格高，是一种很具有发展潜力的测头。

(2) 非接触式测量法  非接触测量法根据测量原理的不同，有光学测量法、超声波测量法、电磁测量法等，其中技术较成熟的是光学测量法，如激光扫描法和莫尔条纹法等。激光扫描法又有激光三角法、激光测距法、结构光法、数字图像处理法、干涉法等。

激光扫描法由于数据采集时探头不接触零件表面，因此可以测量表面松软、薄易变形的实物，其缺点是测量所得数据密集，各点间的拓扑关系不明确，在实物边界处易发生漫反射现象而影响测量精度甚至造成数据丢失。激光三角法（Triangulation）是目前应用较普遍的一种测量技术。它采用激光为光源，从光源投射一亮点或直线条纹到实物表面，从CCD（Charge Couple Device）相机中获得光束影像，再根据光源、实物表面反射点和成像点三点间的三角关系计算出表面反射点的三维坐标。

莫尔条纹法是将光栅条纹投射到被测物体表面，光栅条纹受物体表面形状的调制，其条纹间的相位关系会发生变化，用数字图像处理的方法解析出光栅条纹图像的相位变化量来获取被测物体表面的三维信息。

(3) 逐层扫描法  逐层扫描法是一种新兴的测量技术，它不受结构复杂程度的影响并可以同时对实物的内外表面进行测量。逐层扫描法有工业计算机断层扫描成像法ICT（Industrial Computer Tomograph）、核磁共振MRI（Magnetic resonance imaging）和层析法。

层析法是在数控铣床或磨床上，用铣（磨）削方式去除实物中一定厚度的一层材料，然后使用高分辨率的光电转换装置获取该层截面的二维图像，通过对二维图像的处理和分析，得出该层的内外轮廓数据。完成一层的测量后，再去除新一层材料，重复上述步骤，直至完成整个实物的测量，最后将各层的二维数据进行合成，即可得到实物的三维数据。

层析法的实质是快速成形的逆过程，它是一种破坏性的测量方法。

在实物逆向中，数据采集阶段的技术要点是实物边界的确定和表面形状的数字化，其中难点是边界的确定，目前边界的确定除了实物表面延拓求交法外，工程上也常采用人工测量边界或人机交互方式来定义实物的边界。

需要指出的是，虽然目前数据采集设备应用最广的是三坐标测量机，但有时也在数控铣床（加工中心）上或在机器人末端安装测量部件进行数据采集。

2. 数据处理

通过测量设备对零件进行测量，所得的点数据一般比较多，尤其是应用激光测量设备所得的数据有时多达几兆甚至十几兆（通常把用激光扫描法所测得的大量的点形象地称为点云Point Cloud），在对这么多的点数据进行曲面重构前，应对数据采集所得到的大量数据进行预处理。数据预处理一般包括数据平滑、数据清理、补齐遗失点、数据分割、数据对齐和零件对称基准的构建等。

数据平滑通常采用标准高斯、平均或中值滤波算法。高斯滤波能较好地保持原数据的外形，中值滤波用于消除数据毛刺。

数据清理是清除点云中的异常数据和冗余数据，但有时会造成有用数据的丢失，如实物中的尖角、棱线或曲率变化较大的区域。

对含有自由曲面的复杂表面，整个表面往往不能用一个曲面完成构建，而是由多个曲面通过曲面编辑（如延伸、过渡、裁剪等）进行构建。数据分割是指根据组成复杂曲面的曲面片的类型，将点云数据合理地分割成同类曲面片的数据子集，使测量数据分类转变为造型数据，各子集分别进行曲面构建，最后通过曲面编辑形成一个整体。

数据对齐是指在数据采集时，由于测量仪器及被测实物结构的原因，有时需多次装夹才能完成实物的测量，这样便得到了多块数据。造型时需将各块数据进行归并，将所有数据转换到一个统一的坐标系中进而完成整个实物的造型。

对称基准是对称零件基本的几何特征，数据采集后，基准信息往往不能直接和准确地在零件上得到反映。因此，数据采集结束后，需要通过测量数据人工地对基准进行重建。

(3) 曲面重构

根据曲面的数字信息，恢复曲面原始的几何模型称为曲面重构，曲面重构是建立CAD模型的基础和关键。

根据重构方法的不同，曲面重构分为基于点—样条的曲面重构法和基于测量点的曲面重构法。

1)基于点—样条的曲面重构法的原理是在数据处理基础上，由测量点拟合生成曲面的网格样条曲线，再利用CAD/CAM软件的放样、举升、扫描、边界等曲面类型完成曲面造型，最后通过曲面延伸、过渡、裁剪、求交等编辑操作，将各曲面片光滑拼接或缝合成整体的复合曲面模型。这种方法实际上是通过组成曲面的网格曲线来构造曲面，在曲面重构过程中，通过人机的反复交互，使重构的曲面满足光滑过渡和精度的要求。

2)基于测量点的曲面重构通常采用曲面拟合的方法，曲面拟合包括曲面插值和曲面逼近。曲面插值是构造一个顺序通过一组有序的数据点集的曲面，通常用于精确测量；而曲面逼近是构造一个在满足精度要求的前提下最接近给定数据点集的曲面，用曲面逼近方法所生成的曲面不必通过所有的数据点，通常用于处理大量的数据点或需要对测量误差和噪声进行处理的情况。

4. 建立产品模型

通过曲面拟合所建立的表面模型中，常常会存在间隙、重叠等缺陷，因而不能满足实体模型对几何实体的拓扑要求，为了建立实体模型，需对拟合生成的曲面进行必要的处理编辑。

在建立产品模型的过程中，特别要注意特征技术的应用。特征不仅包含产品或零件的几何信息，而且包括非几何的功能信息、工艺信息及其他工程语义，因此在建立产品模型时，一个重要目标就是还原这些特征以及它们之间的约束，如果仅还原几何特征而未还原它们之间的几何约束所得到的产品模型是不准确的。目前，对特征建模技术尤其是特征和约束的自动识别方法的研究已逐渐展开。

应该指出的是，使用CMM进行测量时存在一个复杂的综合误差，这一复杂的综合误差造成了CMM测量结果的不确定性。误差是由系统误差和随机误差组成，只有系统误差可以被预测和补偿。CMM本身的几何误差、结构的受力受热变形、读数光栅的精度误差、控制软件算法误差等都可能引起CMM测量的系统误差；测量时由于探针的接触力和摩擦力的作用使探针发生偏转，这种偏转是随机的、无法预测的，所以这样的因素将导致测量的随机误差。

四、   影像逆向技术

上述的接触式测量法和非接触式测量法在某些数据采集场合中都存在一些缺点，如受实物表面属性状态的影响、表面障碍较难处理、测量速度较慢、工作效率较低等。针对这些问题，许多专家学者在探索更先进、快捷、高效的测量方法，影像逆向技术便是其中之一。1995年6月，Pascal Fua提出了基于立体图像的曲面重构技术，并已经将方法系统化；此外，在Internet上也有应用立体照片实现人的面部重构的报导。

相对于目前广泛使用的接触式测量法或非接触式测量法而言，影像逆向确实是一种全新的思维，影像逆向技术目前常用的方法有体视法、灰度法和光度立体法等。体视法的工作原理是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个（多个）相机拍摄的图像中的视差，以及相机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。立体视觉测量方法可以对处于两个（多个）相机共同视野内的目标进行测量。

五、   逆向工程技术相关软件

伴随着逆向工程及其相关技术基础研究的进行，其成果的商业化也受到重视，早期是一些商品化的CAD/CAM软件集成了专用的逆向工程模块，如Pro/ENGINEER软件的ScanTool模块、UGⅡ软件的Point Cloud模块、Cimatron软件的ReEnge模块等。由于市场需求的增长，有限的功能模块已不能满足数据处理、零件造型等逆向技术的要求，随后便形成了专用的逆向软件。目前面市的专用逆向软件产品类型已达数十种之多，其中较具代表性的有SDRC公司的Image Ware SURFacer、英国达尔康公司的Copy CAD、英国MDTV公司的STRIM和SURFace Reconstruction等。达尔康公司的Copy CAD软件采用三角化曲面造型法，具有强有力的曲面生成能力，可以接受多种坐标测量机的数字化数据，也可以进行多种数据格式的输出以进行其他后续处理。Cimatron软件的ReEnge模块可以直接读入多种格式的测量数据，提供了多种可以用点云生成样条曲线、网格和NURBS曲面，最终生成CAD模型；ReEnge模块和Cimatron软件的其他模块实现完全集成，ReEnge模块所生成的三维曲线和曲面可以进行编辑，也可以对曲面进行数控加工。

六、   逆向工程技术的发展趋势

逆向工程技术发展至今，在数据处理、曲面拟合、规则特征识别、专用软件开发等方面已取得了明显的进步，但在实际应用中，整个过程的自动化程度并不高，许多工作仍需由人工完成，技术人员的经验对最终产品的质量仍有较大影响。为了解决这些问题，需要在以下几个方面进行深入的研究：

1）数据测量。开发面向逆向工程的专用测量系统，能根据实物的几何外形和后续应用选择测量方式和测量路径，最终高速高效地实现产品外形的数字化。

2）数据处理。研究适应不同的测量方法及后续用途的离散采集点的数据处理技术。

3）拟合曲面应能控制曲面的光顺性和光滑拼接。

4）有效的特征识别和考虑约束的模型重建，复杂曲面的识别和重建方法。

5）集成技术。开发基于集成的逆向工程技术，包括测量技术、基于特征和集成的模型重建技术，基于网络的协同设计和数字化制造技术等。

第三节  快速成形技术

快速成形（Rapid Prototyping，简称RP）技术，又称为快速成形技术，是20世纪80年代末90年代初发展起来的一种先进制造技术，它结合了数控技术、CAD技术、激光技术、材料科学技术、自动控制技术等多门学科的先进成果，利用光能、热能等能量形式，对材料进行烧结、固化、粘结或熔融，最终成形出零件的三维实物模型。

一、             RP技术的工作原理和特点

RP技术的工作原理是：根据零件的三维CAD实体模型，利用专业切片软件对其进行切片处理，得到模型每层截面的轮廓，再在快速成形设备中用激光或其他方法将材料进行逐层成形，从而形成零件的原型，如图8-4所示。RP技术的工作原理可简单地概括为数据离散、材料堆积。由于RP技术是将复杂三维实体通过切片转换为二维来加工的，因此通常又称为层加工（Layer Manufacturing）。

RP技术在实际应用中，大致包括如下几个步骤：

 

（1）          建立模型  利用CAD软件（如UG、Pro/E、CATIA、I-DEAS）建立零件的三维实体模型。注意：零件的CAD模型必须是实体模型，不能为曲面模型。

（2）          前置处理  前置处理通常包括数据转换（输出STL格式文件）、工艺处理（如增加支撑、确定零件的摆放方式）、切片操作等。有些零件由于成形的需要，在零件中需增加一些辅助结构，这些辅助结构既可以在CAD软件中完成，也可以在切片软件中完成。

（3）          原型制作  在快速成形设备中，用某种工艺和成形材料完成原型的制作，原型制作是RP技术的关键。

（4）          后置处理  完成模型的制作后，通常需要对制件进行清理，去除制件表面多余的材料或辅助结构，有时也对制件进行喷涂、浸蜡、涂刷树脂等处理，以提高零件的有关性能。

RP技术具有下列特点：

1）由于采用分层成形、逐层叠加的成形原理，因此可以成形结构非常复杂的零件。

2）成形过程不需要任何刀具、模具及工艺装备，从而节省了成形前的准备时间，大大缩短了产品生产周期。

3）产品的单价与批量无关，因此特别适合于新产品样件的制作和单件、小批量零件的生产。

4）与传统制造方法相结合，可实现快速制模、快速铸造，为传统制造方法注入了新的活力。

5）成形过程为全自动控制，不需人员值守和看护，从而大大降低了操作人员的劳动工作量。

二、             RP技术的发展历程及应用

RP技术属于一种先进制造技术，它为什么会出现呢？首先我们来回顾一下传统的机械制造技术。

根据加工原理，传统的机械制造方法可分为三种：

1）材料去除成形法：通过去除毛坯上多余的材料而获得所需的零件，如切削加工、磨削加工、精密加工、电火花加工、电解加工、电子束加工、离子束加工等。

2）材料受迫成形法：如粉末冶金、锻造、精密铸造、模具成形等。

3）材料堆积成形法：如焊接等。

上述三种机械制造技术在实际生产中都得到广泛应用。但由于传统的产品开发方式都要经过设计任务规划、总体方案设计、详细结构设计、产品样件试制、产品试用、产品生产等阶段，按照这样的模式开发新产品，试制产品样件不仅成本高，而且开发周期长。随着产品更新换代速度的加快，在实际生产中，迫切需要一种产品的快速制造技术；与此同时，到20世纪80年代，数控技术、CAD技术、激光技术、材料科学技术等与RP技术密切相关的有关学科已有了飞速的发展。因此，由于市场的迫切需求及相关基础技术的日趋成熟，RP技术就应运而生了。

RP技术从出现至今虽仅有二十余年，但已在很多领域得到了广泛的应用，它对技术创新、新产品开发、制造技术及相关学科的发展起着重要的作用。RP技术的主要应用在下列几个方面：

（1）          产品开发

1） 产品造型评估。对于新产品，尤其是结构复杂的新产品，仅仅根据三维CAD模型还很难对其做出客观全面的评估。通过RP技术，方便快速地试制出产品的实物模型，根据实物模型可以及时地发现产品设计中所存在的不足或错误之处，从而既缩短了新产品开发的研制周期，又避免了设计错误可能带来的损失。

2） 产品性能和工程测试。RP制件在一般场合可以代替实际零件，对产品的有关性能进行综合测评或工程测试，优化产品设计，这样可以大大提高产品投产的一次成功率。

3） 样件展示及样机评价。由于应用RP技术很容易制造出新产品的样件，因此，RP技术已成为开发商与客户之间进行交流沟通的重要手段。

4） 产品装配验证。应用RP技术制作的制件，进行产品的试装配，以及时发现可能存在的装配问题。

5） 快速制模  将RP技术与真空注型、熔模铸造、金属电镀等技术相结合，快速制造出模具，用于零件的数件或小批量生产。

6） 快速直接制造  在某些应用领域中，可用制件直接作为产品的功能零件，从而大大缩短单件或小批量零件的制造过程。一般来说，将RP技术应用于新产品开发和快速模具制造有三种工艺路线：一是单件或小批量产品制造，其工艺路线是利用RP原型，通过快速真空注射技术制造树脂模具，可用于50~500件样品或零件的制造，或直接利用RP技术制造金属零件；二是中等批量零件的制造，其工艺方案是利用RP原型，采用快速金属喷涂技术制造金属冷喷模，即模具表面为一层金属薄壳，基体为塑料，这种模具可用于批量为3000件以下塑料件的生产；三是大批量零件的制造，其工艺方案是RP原型进行快速电极制造，再通过电火花加工钢模，用于批量达数万件零件的生产。

（2）          生物和医学应用  使用快速成形技术制造医学模型，有助于有效地进行医学诊断并完善手术方案，减少手术前、中、后的时间及费用。三维立体模型可以提供有视觉和触觉的信息，它能够促进医生和病人之间的沟通；同时，由于快速成形件和真实的人体器官一样，也可以作为复杂外科手术模拟的模型，协助医生制定复杂外科手术的计划。