2023年基于逆向工程的节气阀的快速成型和制造.doc

摘 要 关键词：三维激光扫描;逆向工程;快速成形; 目录 1 概念………………………………………………………… 1.1 ……………… 1.2 2 逆向工程及快速成型技术产生的背景 2.1 ……………… 2.2 2.3 3 逆向工程技术及快速成型技术的根本原理 3.1 ……………… 3.2 4 激光三维扫描机的介绍 4.1 ……………… 4.2 5 典型的快速成型工艺 5.1 ……………… 5.2 6 快速成型技术在铸型制造中的应用 6.1 ……………… 6.2 7 总结 7.1 ……………… 7.2 附录 参考文献 1. 引言 1.1 课题背景 20世纪80年代中期开展起来的快速成型技术是先进制造技术的重要组成局部，其最大的特点就在于其制造的高柔性，即无需任何专用的工具，由零件的CAD模型，直接驱动设备完成零件或零件原型的成形制造；只需改变零件的CAD模型，就能很方便地获得相应的零件或原型。 逆向工程技术又称反求工程技术〔Reverse Engineering，RE〕，是20世纪80年代末期开展起来的一项先进制造技术，是以产品及设备的实物等作为研究对象，反求出初始的设计意图，包括形状、材料、工艺、强度等诸多方面。[4] 铸造是机械工业重要的根底工艺与技术，广泛地应用于机械制造、航空航天、能源、交通、化工、建筑以及社会生活的各个领域，并随着各相关技术领域的开展自身不断更新、开展和完善，是我们生产和生活中时时不可或缺的一项重要工艺技术。 而在汽车制造产业中，铸造工艺，扮演着尤其重要的角色。一些重要的汽车零件如：发动机气缸体、变速箱壳体、刹车鼓，由于零件结构复杂，只能通过铸造制造。铸造工艺在零件复杂性和材料适应性方面有其他加工方法无以比较的优势。但铸造工艺也有它的短肋。 从20世纪90年代初，人们已开始将制造技术本身的开展与新材料、信息技术和现代管理技术相结合，逐步形成了先进制造技术和先进制造系统的概念，制造模式由大规模批量化生产转变为小批量和个性化生产，由刚性制造转变为柔性制造，产品的生命周期和投放市场的时间越来越短。以汽车行业为例：十年前开发一种新车型需要两年以上的时间，而现在同一个汽车制造厂商每年就有几种新车问世，开发一个新车型不到一年时间，而一种车型的产量已从过去的上百万辆下降到现在的几万辆[2]。市场的严酷竞争要求应尽可能缩短产品的设计和制造周期，同时应尽量降低投资风险。 传统铸造工艺在现今工业生产模式下短肋尽显。传统铸造工艺中铸型的制造往往需要一个较长的周期，其柔性较差，铸件的结构和尺寸的改变将会直接影响铸型〔还包括铸模〕的设计、制造、装配等较长和较复杂的工艺过程。在大批量铸件生产的试制阶段〔如汽车缸体，缸盖等铸件〕，由于产品尚未定型，更改结构和尺寸极为普遍，此时铸型生产周期过长等问题对试制的制约是十清楚显的，铸型往往成为产品研发速度的限制因素之一。 铸件生产的柔性化要求已成为工业界普遍追求的目标。将快速成形技术和逆向成形技术与铸造技术结合起来，应用逆向工程技术快速获取零件模型，采用快速成型技术直接或间接完成铸型的制造，将大大提高铸造的柔性。 图表一表示了一种创新性的铸造设计技术路线——把虚拟原型〔Visual Prototyping，VP〕及快速原型〔Rapid Prototyping，RP〕与传统铸造有机结合起来的铸造工艺路线。 图表 Error! Bookmark not defined.新的铸造设计技术路线 1.2 课题的主要研究内容 本课题就以汽车零配件——节气阀为例，研究其基于逆向工程和快速成型技术的快速设计与制造系统。其中主要以逆向工程〔反求设计〕与快速成型〔RP零件原型〕为重点研究对象，研究它们的一般工艺路线，加工处理方法等。在逆向工程阶段，通过Vivid910三维激光扫描仪获取节气阀外形点云数据，并应用Geomagic studio 以及Solidworks等软件对数据进行处理，为下一阶段的快速成形做数据准备。在快速成型阶段，通过快速成形软件大法师〔Daphne〕将数字CAD模型转化为快速成型制造系统接受的层片模型，并计算生成CAD模型在快速成型时所需的支撑后，通过控制软件CRACK控制MEM快速成形机完成模型的制造。 2. 逆向工程技术介绍及节气阀的模型数据获取和处理 2.1 逆向工程技术 新产品开发过程中的一条重要路线就是样件的反求。简单说，反求就是对存在的实物模型或零件进行测量并根据测量数据重构出实物的CAD模型，进而对实物进行分析、修改、检验和制造的过程。因反求〔由实物得出设计数据〕相对于一般的设计过程〔由设计数据得出实物〕是逆向的，所以就称其为逆向工程。逆向工程主要用于已有零件的复制、损坏和磨损零件的复原、模型精度的提高及数字化模型检测等。[4] 反求工程技术不是传统意义上的“仿制〞，而是综合应用现代工业设计的理论方法，生产工程学，材料学和有关专业知识，进行系统地分析研究，进而快速开发制造出高附加值、高技术水平的新产品。反求工程对于难以用CAD设计的零件模型以及艺术模型的数据摄取是非常有利的工具，对快速实现产品等的改良和完善或参考设计具有重要的工程应用价值。尤其是该项技术与快速成型技术的结合，可以实现产品的快速三维拷贝，并经过CAD重新建模修改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。 图表 2 难以用CAD设计的雕像模型 反求的主要方法有三坐标法测量法、投影光栅法、激光三角形法、核磁共振和CT法以及自动断层扫描法等。常用的扫描机有传统的坐标测量机〔Coordinate Measurement Machine—CMM〕、激光扫描机〔Laser Scanner〕、零件断层扫描机〔Cross Section Scanner〕以及CT〔Computer Tomography〕和MRI〔Magnetic Resonance Imaging〕等[4]。 采用反求工程方法进行产品快速设计，需要对样品进行数据采集和处理，反求工程中较大的工作量就是离散数据的处理。数据处理需要用到各种数据拟合软件如：Geomagic studio，Surfacer，CopyCAD，Trace等。 2.2 激光三维扫描仪工作原理 2.3 应用Vivid910三维激光扫描仪获取节气阀外形 这次毕业设计中要的的三维激光扫描仪为Vivid910三维激光扫描仪,它为非接触式的三维扫描仪。VIVID-910使用激光三角测距原理。Vivid通过光源孔发射出一束水平的激光束来扫描物体。该激光线经过旋转平面镜的作用，改变角度，使得激光线发射到物体外表。物体外表反射激光束，每一条激光线都通过CCD传感器采集成一帧数据。根据物体外表不同的形状，每条激光线反射回来的信息中所包含的外表等高线数据。完整范围的最高精度扫描只要2.5秒〔快速模式0.3秒〕，物体外表的形状转换为超过300,000点〔连接点〕的点云数据。Vivid不止能给您提供点云数据，还能创立提供保存所有连通信息的多边形网格图，因此，消除了几何不确定性，大大提高了扫描精度。一个24bit色深度的被扫描物体的彩色图像同时通过相同的CCD传感器被采集下来。不同于其他的扫描仪，Vivid－910没有视差的问题，你所得到的三维数据就是你从屏幕上看到的。高精度的测量一台极高精度的三维扫描仪和用来计算3-D数据的高精度校正系统被研究开发，以专门适用于Vivid－910。建立了可以溯源到国际标准的3-D的标准件，来利用这些先进的技术，并依靠优秀的算法到达更高精度的测量结果。 Vivid910三维激光扫描仪的主要工作参数: 扫描范围(镜深)500-2500mm 精度精度0.008mm 扫描范围40x83x111mm-500x347x463mm 扫描时间〔每幅〕0.3 sec 转换时间1 sec (FAST mode), 1.5 sec (Fine mode) 输出数据像素3D-Data: 640 x 480 30万点数据Color Data: 640 x 480 取像设备3D data:1/3-inch frame transfer 33d (340,000pixels) 彩色数据：common with 3D data (color separation by rotary filter) VIVID-910 精度高,扫描速度快,使用方便。 2.4 应用Geomagic studio逆向工程软件处理扫描得到节气阀外形数据 3. 快速成型技术的原理和方法 3.1 快速成型技术产生的背景 随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分剧烈，产品的开发速度日益成为竞争的主要矛盾。同时，制造业需要满足日益变化的用户需求，又要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的本钱。因此，产品开发的速度和制造技术的柔性变得十分关键。 80年代后期开展起来的快速成型技术正满足了以上的社会需求，作为一项现代新型制造技术，快速成型技术被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与20世纪50~60年代的数控技术的出现相媲美。RP系统综合了机械工程、CAD、数控技术，激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期。而以RP系统为根底开展起来并已成熟的快速模具工装制造( Quick Tooling)技术，快速精铸技术(Quick Casting)，快速金属粉末烧结技术(Quick Powder Sintering)，那么可实现零件的快速制造[3]。 快速成形技术能快速地将产品零件的CAD模型转换为实物模型、零件原型和零件，而无需采用专用工具和工装，这一珍贵技术特征使快速成形技术能最好地适应当代制造业市场的竞争环境而飞速地开展起来。20世纪80年代中后期至上世纪末是快速成形工艺、设备和材料蓬勃开展的年代，20世纪80年代中期美国在世界上推出了第一台商品化的快速成形设备，并很快扩展到日本及欧洲。2023年全球快速成形设备和效劳的产值达4.845亿美元。[1] 3.2快速成形技术的根本原理及特点 快速成形技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称，其根本过程是：首先设计出所需零件的计算机三维模型〔本课题是通过逆向工程获得节气阀的数字模型〕，然后根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单位，通常在Z向将其按照一定厚度进行离散〔习惯称为分层〕，把原来的三维CAD模型变为一系列的层片；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后由成形机成形一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体。这样就将一个复杂的三维加工转变成一系列二维层片的加工，因此大大降低了加工难度，这也是所谓的降维制造。由于不需要专用的刀具和夹具，使成形过程的难度与待成形物理实物形状的复杂程度无关。 快速成形技术具有以下几个根本特点： 1．由CAD模型直接驱动。 2．可以制造具有任意复杂形状的三维实体。 3．成形设备是无需专用夹具或工具的通用机械。 4．成形过程中无人干预或较小干预 5．快速成形的材料适应性好。 3.3 离散方法与离散论方法学 快速成形技术是基于离散—堆积成形原理的成形方法。离散-堆积根本思路与数值积分中把任意函数的积分问题转化为求解并累加-系列简单图元〔如矩形〕的面积问题一样。绝大多数现有的RP工艺都是将三维实体离散成二维层片然后叠加成形的。实际上，从离散-堆积原理本身出发，三维形体在离散过程中可沿一至三个方向进行不同的分解，生成形体的一个个截面、截线、截点，称之为离散面、