1、1绪论1.1概述随着全球统一市场的逐渐形成以及制造业的开展,国际间产品及其技术交流日益频繁,市场竞争日趋剧烈,对产品的要求也越来越高,表现为产品批量小,技术含量高,品种需求多,生命周期变得越来越短. 传统的产品开发模式已经很难适应这些变化,因此新的产品开发模式和许多先进的设计和制造技术蕴育而生,例如并行工程(CE) 、虚拟制造(VM) 、敏捷制造(AM) 、快速原型技术(RPT) 和反求工程(RE)等,其中RPT是当今世界上开展最快的制造技术。 RPT的开展对新的逆向集成系统提供了良好的平台,目前国内外一些科研及企事业单位也都在针对该技术做一些实验和研究,并取得了一定的成果。不断提高RP技术的
2、应用水平是推动RP技术开展的重要方面。目前，快速成型技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的开展，其应用领域将不断拓展。RP技术的实际应用主要集中在以下几个方面： (1)在新产品造型设计过程中的应用快速成形技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。运用RP技术能够快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型(样件)，这不仅缩短了开发周期，而且降低了开发费用，也使企业在剧烈的市场竞争中占有先机。 (2)在机械制造领域的应用由于RP技术自身的特点，使得其在机械制造领
3、域内，获得广泛的应用，多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件，由于只需单件生产，或少于50件的小批量，一般均可用RP技术直接进行成型，本钱低，周期短。 (3)快速模具制造传统的模具生产时间长，本钱高。将快速成型技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模具制造的开发周期，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。(4)在医学领域的应用近几年来，人们对RP技术在医学领域的应用研究较多。以医学影像数据为根底，利用RP技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。 (5)在文化艺术领域的应用在文化艺术领域，快速成形制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。 (6)
4、在航空航天技术领域的应用在航空航天领域中，空气动力学地面模拟实验(即风洞实验)是设计性能先进的天地往返系统(即航天飞机)所必不可少的重要环节。(7)在家电行业的应用目前，快速成形系统在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用。如：广东的美的、华宝、科龙；江苏的春兰、小天鹅；青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品。反求工程逆向工程是近年来开展起来的消化，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，其主要目的是为了改善技术水平，提高生产率，增强经济竞争力。世界各国在经济技术开展中，应用反求工程消化吸收先进技术经验，给人们有益的启示。据统计，各国百分之七十以上的技术源于国外，反求
5、工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大提高了生产率。因此研究反求工程技术，对我国国民经济的开展和科学技术水平的提高，具有重大的意义。 反求工程逆向工程的应用领域大致可分为以下几种情况： 一、在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，在对零件原形进行测量的根底上形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据利用快速成型技术复制出一个相同的零件原型。二、 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。三、 在美学设计特别重要的领域，例如汽车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，而不采用在计算机屏幕上缩小比
6、例的物体投视图的方法，此时需用反求工程的设计方法。四、 修复破损的艺术品或缺乏供给的损坏零件等，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。快速成型技术具有很高的柔性,适合于加工具有复杂形状和内腔结构的零件,应用于快速原型制造时,可以迅速将CAD 模型转变为三维实体,成为设计与制造一体化的典型范例. 反求工程又正好是提供产品CAD 模型的一种快捷的手段. 所以,如果快速成型技术与反求工程相结合,构成一个比拟完整的产品开发技术体系,可以成为新产品开发的有力工具,还可以对现有先进产品进行复制、分析、修改等,
7、从而有效地提高新产品开发的质量和效率.1.2技术背景与开展 快速成形技术又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低本钱的实现手段。即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成。快速
8、原型是世界制造业的一次重大创新，是先进制造技术群中的重要组成局部。它集中了计算机辅助设计和制造技术、激光技术和材料科学技术，在没有传统模具和夹具的情况下，快速制造出任意复杂形状而又具有一定功能的三维实体模型或零件。美国、日本及欧洲兴旺国家已将快速成形技术应用于航空、航天、汽车、通讯、医疗、电子、家电、玩具、军事装备、工业造型雕刻、建筑模型、机械行业等领域。 而我国RP研究工作起步于90年代初。刚开始时技术引进较多，1994年以来，我国已有20余家企业或机构从国外引进RP机器，加快了企业的新产品开发、取得了巨大的经济效益。但由于引进价格昂贵，如美国3Dsystem公司生产的SLA250系统售价2
9、0万美元，SLA500价格高达40万美元，加之材料也依靠进口，使生产本钱过高，往往是国内大多制造型企业无法承受的。 为了解决中国制造业对RP的迫切需求，1991年以来，在中国政府资助和支持下，一些高等院校和研究机构积极开展RP研究，并取得较大的进展。 我国最早在快速成型技术方面开展研究的科研机构主要有清华大学、西安交通大学、华中理工大学。这些科研机构早期在开发系统设备方面各有侧重。1992年，清华大学引进了当时先进的SLA-250光固化成形设备，成立了激光快速成形中心，开展快速成形技术的研究。研制出世界上最大的LOM双扫描成形机，已提供给国内的汽车制造企业，研制成功的多功能快速造型系统MRPM
10、S已打入国际市场，自主开发的大型挤压喷射成形RP设备SSM1600SSM成形尺寸已达1600800750mm3，也居世界之首。 西安交通大学多年来一直致力于SLA的成型材料和设备的国产化，在卢秉恒院士的带着下，西交大自主研发出一套国内领先水平的快速成型系统，同时在成型材料等方面同样取得了重大突破，并已形成产业化生产，因此获1998年度国家科技进步一等奖、2023年教育部科技进步二等奖。华中理工大学从1991年开始，在政府的支持下开始进行RP技术研究，1994年开发成功LOM样机，到1997年就向市场推出商品化的LOM成型设备。目前，该单位已对LOM设备进行了系列化的开发，同时还成功地推出商品化
11、的SLS设备。华中理工大学还利用复膜技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具和铸铁模块。 此外，南京航天大学、上海交通大学、华北工学院、浙江大学等知名高校在该领域也做了许多工作。例如在基于快速成形技术的快速制造模具方面，上海交通大学开发了具有我国自主知识产权的铸造模样计算机辅助快速制造系统，为汽车行业制造了多种模具。 目前，局部国产RP设备已接近或到达美国公司同类产品的水平，价格却廉价得多，自主研发应用于快速成型的材料也逐步趋于完善，材料的价格更加廉价，等待投放市场后可以改善过于依赖进口材料的状况。我国已初步形成了RP设备和材料的制造体系。 在国家科学技术部的支持下，我国已经在深圳、天津、上海、西
12、安、南京、重庆等地建立一批向企业提供快速成形技术的效劳机构，并开始起到了积极的作用，推动了快速成形技术在我国的广泛应用，使我国RP技术的开展走上了专业化、市场化的轨道，为我国制造型企业的开展起到了支撑作用，提升了企业对市场的快速响应能力，提高了企业的竞争力，同时也为国民经济增长做出了重大奉献。 1980年始欧美国家许多学校及工业界开始注意逆向工程这块领域。1990年初期包括台湾在内，各国学术界团队大量投入逆向工程的研究并发表成果。逆向工程的硬件最早是运用仿制加工设备，制作出来的成品品质粗糙。后来有接触式扫瞄设备，运用探针接触工件取得产品外型。再来进一步开发非接触式设备，运用照相或激光技术，计算
13、光线反射回来的时间取得距离。逆向工程软件局部品牌包括Surfacer(Imageware)、ICEM、CopyCAD、Rapid Form等。逆向软件的演进约略可区分为三个阶段。十一年前在逆向工程上，只能运用CATIA等CAD/CAM高阶曲面系统。市场后来开展出两套主流产品约在七、八年前技术成熟，广为业界引用。到最近四年来，开展出不同以往的逆向工程数学逻辑运算，速度快。 逆向工程在台湾的开展轨迹持续在进行，工研院曾写过一套逆向工程软件，学术界不少研究团队也将逆向工程领域作为研究主题，开发出具不同功能的系统软件，但是最后这些软件都没有真正落实到产业界应用。工研院的团队后来也结束逆向工程研究，转而
14、开发其它主题。原有的研发成果后继无人，殊为可惜。1998年，NEWPOWER启动了逆向工程的一些项目，要求是把客户的现有源代码转变成设计， 如果需要的话，进一步转化成产品需求规约。这恰恰与类似于V模型的标准开发过程模型相逆。这样一来，客户就可以容易地维护他们的产品需求，设计，源代码等等，而不需要想以前那样，每次改动产品都需要直接修改源代码。目前，逆向工程的应用已从单纯的技巧性手工操作，开展到采用先进的计算机及测量设备，进行设计、分析、制造等活动，如获取修模后的模具形状、分析实物模型、基于现有产品的创新设计、快速仿形制造等。1.3研究思路本文主要研究的是三维实体的复原模型，通过对不完整的三维实体的研究，涉及一种算法可以很好的对不完整实体进行复原，最大限度逼近真实值。然后通过三维点云数据表进行编程。最后将三维数据表导入三维制图软件进行三维模型的建立，通过软件对模型进行分析，以到达精确的数值。在通过对边缘吻合度的计算进行修正，以到达最大的精度而满足设计要求。
