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三维反求技术原理及应用
文章来源:实验室撰写      发布者:admin
三维反求技术,又称逆向工程,通常指用一定的测量手段对实物或产品进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程;是一个从样品生成产品数字化信息模型,并在此基础上进行产品优化设计、二次开发及加工制造的全过程。这是一种产品设计技术再现的过程,其主要目的是在不能轻易获得产品必要的生产信息的情况下,直接从成品分析,推导出产品的设计原理。三维反求技术被广泛地应用到新产品开发和产品改型设计、质量分析检测等领域,它的作用是:缩短产品的设计、开发周期,加快产品的更新换代速度;降低企业开发新产品的成本与风险;加快产品的造型和系列化的设计;适合单件、小批量的零件制造,特别是模具的制造。三维反求技术的关键技术包括三个方面:数据采集技术、三维模型构造和快速成型。
数据采集是三维反求的首要环节和基础,根据测量方式的不同,数据采集方法可分为接触式和非接触式测量两大类。接触式测量法指通过传感测头与样件的接触而记录样件表面点的坐标位置,典型的设备是三坐标测量机,该方法的优点是测量精度高,缺点是测量速度慢、测量的点较少。接触式测量法主要是基于光学的原理,将激光或结构光投射到样件表面,根据摄像机采集到的图像,利用计算机通过适当的算法解算出样件表面点的三维坐标,典型的设备有各种激光三维扫描仪和结构光三维面扫描仪,该方法的优点是采集的数据多,速度快,精度较高,已得到广泛应用。
三维数字模型构造包含采集数据的预处理、离散数据点的网格化、特征提取、曲面生成等,是整个逆向过程中最关键、最复杂的一环,也为后续的工程分析、创新设计和加工制造等应用提供数学模型支持。其内容涉及计算机、图像处理、图形学、计算几何、测量和数控加工等众多交叉学科和工程领域。三维模型重建的一般步骤是先根据几何特征对点云数据进行分割,然后分别对各个曲面进行拟合,再通过曲面的过渡、相交、裁剪、倒圆等手段,将多个曲面缝合成一个整体,重建出产品的三维数字化模型。
快速成型是采用离散材料堆积的原理,综合利用CAD技术、数控技术、激光加工技术和材料技术,实现产品数字模型到三维实体原型化快速制造的一体化加工技术。快速成型加工方式无须设计、加工复杂的模具,对于具有复杂形状的产品,只要得到其三维数字模型,就可由快速原型机(3D打印机)制作出原型。
三维反求技术的应用领域主要包括以下几个方面。
在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有三维CAD模型的情况下,在对零件原形进行测量的基础上形成零件的设计图纸或三维CAD模型,并以此为依据进行优化设计和再次开发。这种方式广泛应用于各种机械设备、零部件和其他产品外形的设计,可以缩短产品开发设计周期,降低研发成本。
当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时,通常采用反求工程的方法。如航天航空领域、高速动车外形设计方面,为了满足产品对空气动力学等方面的要求,实物模型需经过各种性能测试(如风洞实验等)确定符合要求,然后通过反求设计得到其数字化模型。这类产品一般具有复杂的自由曲面外型,最终的实验模型将成为设计这类零件及设计制作模具的依据。
在美学设计特别重要的领域,例如汽车车身外型设计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,未将木制或泥塑模型数字化,此时需用反求工程的设计方法。
修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等,此时不需要对整个零件原型进行复制,而是借助反求工程技术抽取零件原形的设计思想,指导新的设计。这是由实物逆向推理出设计思想的一种渐近过程。

三维反求与变形检测实验室
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