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1、三维测量与反求工程 概述 概念 反求工程包含有实物反求 软件反求和影 像反求三方面 这里主要指实物反求 产品功能设计 CAD模型 检查 制造 图样 不满意 满意 三维测量与反求工程 实物数字化CAD模型 检查 图样 制造 最终产品 不满意 满意 三维测量与反求工程 三维实体 数据处理 曲面模型 数据采集 三维测量与反求工程 反求工程的应用 1 新零件的设计 2 损坏或磨损物体的还原 3 数字化模型的测量与检测 4 模具样品开发 5 快速成型制作 6 造型设计 三维测量与反求工程 反求工程与快速成型的集成 三维CAD建模 模型 反求工程 CAD 模 型 输出 STL 文件 快速 成型 系统 产
2、品 三维测量与反求工程 摩托车前面板设计 1 用油泥制作概念模型 2 三坐标测量仪进行数据化 测量数据用 CAD软件进行整理转换成曲面模型 3 成型机制作出样件模型 三维测量与反求工程 三维曲面测量技术 1 接触式测量 三坐标测量机 CMM 触发式 连续式 光学式 三维测量与反求工程 2 断层扫描式测量 工业CT测量 它以测量物体对X射线的衰减系数为 理论基础 经过计算机处理后重建断层图像 优点 可以获得物体内部空腔的数据 适合用于 任何的形状结构 精度低 分辨率低 获得数 据需要较长时间 重建图像计算量大 造价高 只能获得一定厚度截面的平均轮廓 核磁共振法测量 层去图像法 三维测量与反求工程
3、 3 非接触式测量 声学测量 电磁学测量 光学测量 1 主动式测量 投影光栅法 激光三角 法 光照模型法 激光测距法和数字全 息法 三维测量与反求工程 1 投影光栅法 采用普通白光将光栅图样投影到 被测物体表面上 莫尔等高法 时域相位法 空域相位法 2 激光三角法 3 光照模型法 4 激光测距法 5 数字全息法 三维测量与反求工程 激光三角法 用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面 然 后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成 像 物体表面激光照射点的位置高度不同 所 接受散射或反射光线的角度也不同 用CCD光 电探测器测出光斑像的位置 就可以计算出主 光线的角度 从而计算出物体表面激光照射点
4、 的位置高度 当物体沿激光线方向发生移动时 测量结果就将发生改变 从而实现用激光测 量物体的位移 三维测量与反求工程 光照模型法 SFS法 朗伯模型 采用光度学原理 当光照射到一个不透明 的物体表面时 会产生反射光 而物体 表面的灰度或颜色信息仅由该反射光决 定 这就建立了一个图像灰度反射图方 程 从而从单幅图像中获得物体表面的 形状信息 三维测量与反求工程 激光测距法 通过测量激光束的传播时间来获得被测物 体的表面信息 数字全息法 用光敏电子元件代替普通照相记录介质 用数字计算方式再现 三维测量与反求工程 2 被动式测量 单目视觉法 双目视觉法 多目 视觉法 单目视觉法 聚焦法 离焦法 聚焦
5、法 一台给定的CCD摄像机焦距已经固定并 已知 通过调节摄像机的像距 使摄像机相对 于被测点始终保持被测点的成像聚焦在摄像机 的成像平面上 得到距离 离焦法 和聚焦法相反 固定CCD摄像机移动物 体 三维测量与反求工程 双目视觉法 仿照人类的双眼 采用两个CCD摄像机同 时摄取同一物体的两幅图像 通过各种 立体视觉的方法在两幅图像中找到同一 物点在这两幅图像中的坐标位置 计算 出视差 然后采用基于三角测量的方法 恢复该点的距离 三维测量与反求工程 多目视觉法 采用多个CCD摄像机进行测量 增加匹配 图像的数量 从而增加了匹配点的几何 约束 降低了立体匹配的困难 三维测量与反求工程 反求系统应具
6、备的特点 1 测量速度快 精度高 2 能测量内外轮廓 最好不破坏样件 3 能把测量数据转换成CAD模型 4 具有把CAD模型文件转换成STL文件的功能并 能直接切片 5 能自动化测量 且成本低 6 不受或尽量不受外界条件和环境的限制 7 能测量各种材质 形状具有不同物理性质的物 体 三维测量与反求工程 三维曲面重构技术 特点 型面模型数据散乱且曲面对象边界和形状有时极 其复杂 因而一般不便直接运用常规的曲面构 造法 面对象往往不是简单地由一张曲面构成 而是多 张曲面经过延伸 过渡 裁剪等混合而成 因 而要分块构造 由于数字化技术的限制 在逆向工程中还存在一 个 多视数据 问题 三维测量与反求工
7、程 NURBS曲面构造 NURBS的定义 NURBS是Non Uniform Rational B Splines的缩写 是非统一有理B样条的意思 具体解释是 Non Uniform 非统一 是指一个控制顶点的影响 力的范围能够改变 当创建一个不规则曲面的时候这 一点非常有用 同样 统一的曲线和曲面在透视投影 下也不是无变化的 对于交互的3D建模来说这是一个 严重的缺陷 Rational 有理 是指每个NURBS物体都可以用数 学表达式来定义 B Spline B样条 是指用路线来构建一条曲线 在一个或更多的点之间以内插值替换的 三维测量与反求工程 简单地说 NURBS就是专门做曲面物体的 一
8、种造型方法 NURBS造型总是由曲线 和曲面来定义的 所以要在NURBS表面 里生成一条有棱角的边是很困难的 就 是因为这一特点 我们可以用它做出各 种复杂的曲面造型和表现特殊的效果 如人的皮肤 面貌或流线型的跑车等 三维测量与反求工程 四叉树方法 首先构造一张整体的曲面 若不能 满足要求 则将其一分为四 再对小块进行处 理 直至所有小块均满足要求为止 基于曲线网格法 估算各型值点的局部性质 找 出特征线 将特征线拟合成曲线网格 对每个 网孔构造一张曲面 使网孔内部的点对其对应 曲面具有最佳的逼近性 最终将所有曲面片实 行光滑拼接 三维测量与反求工程 三角曲面构造 1 初始曲面估计 2 网格优
9、化 3 分段光滑曲面片 三维测量与反求工程 对象检验与修正 根据获得的CAD模型重新测量合加工出样 品的方法来检验重构的CAD是否满足精 度或其它性能指标要求 对不满足要求 者重复以上过程 直至达到零件的设计 要求 第八章快速成型技术的新进展 功能梯度测量的快速成型技术 简介 复合材料存在的问题 梯度功能材料的新设想和新概念 根据具体要求 选择使用两种 或多种 具有不同性能的材 料 通过连续地改变两种材料的组成和结构 使其内部界面模糊化 从而得到功能逐渐变化 的非均匀质材料 第八章快速成型技术的新进展 功能梯度材料在航天飞机超音速燃烧冲压 发动机上的应用 通过耐低温的金属和 耐高温的陶瓷进行有
10、机结合起来 应用领域 航空航天 生物医学 机械工 程 光电工程 电磁工程 化学工程 核能工程 信息工程 第八章快速成型技术的新进展 功能梯度材料特性分析 1 热应力值可减至最小 而且适宜地控制热应力达到峰值的 临界位置 2 对于一定的热机械载荷作用 推迟塑性屈服和失效的发生 3 抑制自由边界与界面交接处的严重的应力集中和奇异性 4 与突变的界面相比 可以通过在成分中引入连续的或逐级 的梯度来提高不同固体之间的界面结合强度 5 可以通过对界面的力学性能梯度进行调整来降低裂纹沿着 或穿过一个界面的驱动力 6 通过逐级的或连续的梯度可以方便地在延长基底上沉积厚 的脆性涂层 第八章快速成型技术的新进展
11、 传统的功能梯度材料制备方法 含金属相的制备方法有 构造法和基于传 输的制备 第八章快速成型技术的新进展 纳米晶体材料快速成型技术 纳米材料 把组成相或晶粒结构控制在 100nm以下尺寸的材料称为纳米材料 原子畴 晶粒或相 尺寸小于100nm 具有很大比例的原子处于晶界环境 各畴之间存在相互的作用 第八章快速成型技术的新进展 纳米晶金属的快速成型技术 射流电沉积 核心高速喷射电解液技术 阳极采用小孔喷射 阳极喷嘴电场分布的 不规则性及高电流密度分布下晶粒结晶 不稳定性使得沉积厚度和制件尺寸精度 及形状精度受到影响 第八章快速成型技术的新进展 优点 电沉积层具有独特的高密度和低孔隙率 结晶组 主
12、取决于电沉积参数 晶粒尺寸分布窄 工艺上易通过改变电参数 电解液成分等条件来 控制材料的化学成分 结晶组织和晶粒大小 容易大量制备纯金属 合金和复合材料纳米晶 室温下即可形成合金 有很好的经济性和较高的生产率 所需的设备是常规的 第八章快速成型技术的新进展 原理和方法 晶核的生成 晶核的成长 晶核的生成随阴极过电位的增大而增大 临界半径随阴极过电位的增大而减小 增大电流密度可提高阴极过电位 加入添加剂可吸附在晶体的生长点上 阻 碍晶体的生长 增大阴极过电位 第八章快速成型技术的新进展 工艺采用措施 采用适当高的电流密度 但如果如果电流密度增 大而阴极附近电解液的沉积离子来不及得到补 充 则反而
13、会使晶粒尺寸增大 采用脉冲电流 多采用矩形波 为保证阴极液界面离子密度 采用峰值电流密度 高的脉冲电流 增加电解液与阴极的相对流速 第八章快速成型技术的新进展 采用有机添加剂 减少晶体的生长 抑制 生长点 提高过电位 合金共沉积 复合共沉积 第八章快速成型技术的新进展 电沉积纳米晶材料的制备方法 1 直流电沉积纳米晶材料 2 脉冲电沉积纳米晶材料 3 喷射电沉积纳米晶材料 4 复合共沉积纳米晶材料 第八章快速成型技术的新进展 射流电沉积快速成型系统 三部分 机床本体部分 控制系统和软件 系统 机床本体采用C型结构及倒置结构 阳极结构为非金属主阳极和金属辅助阳极 的组合形式以减少喷嘴形状造成的电
14、场 畸变并提供充足的阳离子 电量计用于精确控制沉积厚度 第八章快速成型技术的新进展 研究的前景和意义 陶瓷材料 耐高温 耐腐蚀 强度高 硬 度大 应用 发动机 柴油机转子 滚珠轴承和 精密机床的主轴以及核反应堆的内部部 件等 第八章快速成型技术的新进展 陶瓷纳米成型 干压成型 超高压成型 凝胶注模成型 挤制成型等 光固化和紫外线固化对陶瓷的快速成型 第八章快速成型技术的新进展 过内外研究现状 分层实体制造 LOM 用SiC粉和C粉制 造陶瓷膜 熔融沉积 将陶瓷粉和有机粘结剂混合 挤制成细丝 用FDM设备做成陶瓷坯件 第八章快速成型技术的新进展 金属直接成型技术 选择性激光烧结 SLS 单一的金
15、属粉末 金属粉末为两种金属粉末的混合体 金属粉末实际是金属粉末和有机粘结剂的混合体 1 利用有机树脂包覆金属粉末材料制得的覆膜 金属粉末 2 金属与有机树脂得混合粉末 其制备工艺简 单 烧结性能较差 第八章快速成型技术的新进展 烧结后处理 热等静压 使用温度范围 0 5 0 7 Tm 压力在 147MPa以下 要求温度均匀 准确 波动小 升温 保温和冷却 液相烧结 润湿性 溶解度和液相数量 后处理 温度越高时间越长 密度和强度提高越大 高温烧结 零件收缩较大 溶浸 将金属坯体与另一个熔点低的液体金属接 触或浸在内部 第八章快速成型技术的新进展 直接金属沉积DMD 使用各种金属粉末 用高能激光束
16、作为热 源将金属粉末溶化到基体上形成冶金结 合 聚集激光束 汇聚粉末 保护气体同时由 喷嘴输出 第八章快速成型技术的新进展 应用 模具制造 改造工具结构 工具修复 表面硬化处理 第八章快速成型技术的新进展 激光工程化净成型 将快速成型技术和激光溶覆技术相结合 单件小批量零件直接成型 原型制造 工具制造及修理 医疗应用 第八章快速成型技术的新进展 激光快速柔性制造 金属粉末激光成型 可直接制造形状结果复杂金属功能零件 金属或合金材料冶金过程和材料成型过程相统一 可方便地 金属粉末激光成型MPLS 可直接制造形状结果复杂金属功能零件 金属或合金材料冶金过程和材料成型过程相统一 可方便地加工一些熔点高 难加工的材料 第八章快速成型技术的新进展 激光溶覆制造技术应用范围 特种材料复杂形状金属零件直接制造 模具内含热流管路和高热导率部位制造 模具快速制造 修复和翻新 表面强化与高性能 涂层 敏捷金属零件和梯度功能金属零件制造 航空航天重要零件的局部制造与修复 特种复杂金属零件制造 医疗器械 第八章快速成型技术的新进展 存在问题 研究重点 激光制造过程的模拟和模型建立 进一步研究激光溶覆制造金属零
