淺析逆向工程技術在模具數(shù)控加工中的應用

摘要：隨著計算機技術和電子業(yè)的發(fā)展，制造業(yè)在上世紀九十年代強勢復蘇。現(xiàn)在，市場全球化讓制造業(yè)的競爭異常激烈，誰能研發(fā)新產，誰就能占領市場的制高點。隨著技術的不斷進步，各種高新技術被不斷運用到制造業(yè)，加劇了市場競爭。本文將介紹逆向工程技術在模具加工中的應用，對數(shù)字化掃描和產品建模等技術做一下簡單介紹。

關鍵詞：逆向工程 模具加工 數(shù)控技術 數(shù)字化掃描 產品建模

中圖分類號：TG76 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0136-02

自20世紀80年代走出低谷以后，制造業(yè)一直是各主要經濟體的支柱產業(yè)。改革開放以來我國的制造業(yè)突飛猛進，很快成為我國的支柱產業(yè)。但是我國的制造業(yè)面臨著技術落后、產品無更新的囧景。進入新世紀，隨著各大企業(yè)積極引進技術，我國制造業(yè)的水平明顯提升，中國制造得到了全世界的認可。逆向工程技術是目前制造業(yè)比較前沿的技術，它被廣泛應用于汽車、電子、醫(yī)療、家電等領域，市場前景極為廣闊，在成品更新和設計思想新思維方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。本文將介紹逆向工程技術在模具數(shù)控加工中的應用，主要介紹逆向工程的原理、應用概況和數(shù)字化掃描、產品建模等技術。

1 逆向工程的應用概況

逆向工程是目前比較前沿的技術，它的應用和領域非常廣泛，比如汽車、電子、醫(yī)療等等，從實際效益上看也是相當?shù)暮?。逆向工程的應用大體上可分為以下幾種情況。首先，逆向工程被運用于一些貴重藝術品和元件的修復或復制品制造，這也是它最初被使用的領域。修復中不需要對整個實物進行修復，而是利用逆向工程技術提取出原始元件的設計思維，利用這種思想指導復制或修復工程。簡單說，就是由實物逆向推出設計思想的一個過程，推理處的設計思想將被用于其它產品，這也是設計思想的一種更新方式。另一種是產品設計，當設計人員遇到沒有圖紙或設計圖紙不完整，也沒有CAD模型時，可以對零件進行實際測量，以此來形成設計圖紙和CAD模型，并最終生成數(shù)控加工的NC代碼，這樣就復制出一個零件來。逆向工程一般是運用在這種沒有設計的源文件，需要通過實際測量來定型制作模型的場合。這時通常零件都具有復雜的外觀，比如一些復雜的曲面，棱角等等，最終的實驗模型將成為設計這類零件及反求其模具的依據(jù)。另外，一些對美學設計要求高的領域也會采用逆向工程技術，主要是因為在電腦上的縮略圖不能真實的反映出設計效果，而制作出的模型卻可以給人以真實的感覺，比如汽車的外觀設計等。

2 逆向工程技術的原理

逆向工程的產品設計人員沒有產品的數(shù)據(jù)資料和圖紙，有的僅僅是實物模型，這也是逆向工程區(qū)別于其他設計的最大特點。通常的產品設計方式都是由設計人員在計算機中建立產品的視圖或者模型，在計算機中繪制圖。逆向工程不會有這樣的步驟，即便是逆向工程也需要在計算機上形成模型，它們的文件是完全不同的。逆向工程的設計流程與傳統(tǒng)的設計流程完全不同，甚至截然相反。逆向工程中，產品是按照實物模型來設計的，設計所需要的幾何數(shù)據(jù)，幾何特征以及技術要素都需要從實物中提取出來，進而進行再生產。這區(qū)別于向傳統(tǒng)的設計制造，按照零件最終所要承擔的功能以及各方面的影響因素，進行從無到有的設計，逆向工程更像是一個“從有到有”的過程。從設計之初的概念提出，到最后生成CAD模型，傳統(tǒng)設計的每一步都有明確的目標，而且是一個清晰的過程。然而，逆向工程是通過實物尋找數(shù)據(jù)和設計思路的，更像是一個推理過程，逐漸逼近的過程。逆向工程中，首先完成的就是實物的數(shù)字化，一般是采用三坐標測量機或激光掃描等較為先進的測量裝置，準確獲取實物表面點的三維坐標，然后就可以利用CAD/CAM系統(tǒng)進行三維模型的繪制，設計出客戶滿意的模型，最后生成數(shù)控加工所需要的代碼。當然也可以生成零件的圖紙，然后機械加工。或者是生成STL文件，采用快速原型機加工。

圖1是逆向工程設計的原理圖。

3 模具加工中逆向工程技術的應用

逆向工程設計的領域很多，被很多大型的設計所使用，但是，模具加工還是一種低成本的逆向工程。經過精密儀器的掃描，把實物掃描到計算機上，生成模型，進行簡單修改后生成數(shù)控加工所需要的NC程序，配合加工中心通訊，快速地制造出簡易模具。

圖2是逆向工程工藝流程圖。

利用逆向工程技術實現(xiàn)模具數(shù)控加工的主要步驟有樣品進行數(shù)字化掃描，獲取實物數(shù)字信息，然后產品建模，并進行模擬仿真，下一步是后置處理和NC程序的生成，最后就是數(shù)控加工。首先對產品進行數(shù)字化掃描，完成構造三維模型，并進行仿真，之后即可進行工藝參數(shù)的設置（快速行刀面、刀具選擇、切削量、主軸轉速等眾多參數(shù)的設置），然后系統(tǒng)會自動生成銑削定位NCI文件，再進行后置處理生成數(shù)控機床可以執(zhí)行的數(shù)控程序，之后要進行模擬仿真，并且與客戶進行溝通，確保無誤后就可以進行數(shù)控加工，這就是大致的工藝流程。在整個流程中，數(shù)字化掃描和產品建模是最為關鍵的部分，他們分別肩負著第一手數(shù)據(jù)資料的采集和產品的最終形成，這兩個過程要十分謹慎，否則制作的產品可能會有大的出入。

3.1 數(shù)字化掃描技術

所謂掃描就是采用模擬式或者是非接觸的激光掃描側頭沿著模型的表面連續(xù)掃描。采集模型表面的坐標值，通常每秒鐘可以采集十致上千點數(shù)據(jù)，然后把采集的數(shù)據(jù)存入計算機。這是整個工藝流程最初的階段，也是最為關鍵的步驟之一，它負責第一手資料的采集，數(shù)據(jù)采集的準確性和數(shù)據(jù)采集的量決定了最終產品的精細程度。逆向工程是一個推理的過程，一旦數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差較大，設計人員就很難進行推理，推理出現(xiàn)錯誤自然就不會制作出產品。隨著科技的不斷發(fā)展，傳感器技術越來越成熟，結合數(shù)控技術和制造技術的進步，市場上出現(xiàn)了很多數(shù)字化的掃描儀器，甚至是掃描系統(tǒng)。這些為數(shù)據(jù)采集的精確度打下了好的基礎，這也是逆向工程得以廣泛實用的基礎。一般的，三維表面數(shù)字化技術可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸和非接觸的區(qū)別主要是掃描頭的工作方式，更準確的說是傳感器的工作條件所決定。數(shù)字化掃描階段一定要謹慎，采集時不能急于求成，可以進行多次采集，對比選擇最好的。

3.2 產品建模技術

在進行完數(shù)字化掃描以后，我們得到的是一系列的空間離散點，實物模型最初的CAD模型就要靠這些離散點來完成，利用計算機輔助幾何設計的相關技術，我們可以構造出零件的CAD模型，這就是產品的建模。因為成品最終是依靠CAD模型生產的，所以這一階段完成了零件初步的模型設計。在CAD模型設計中，一般含有自由曲面的復雜型面，這時僅僅利用一張曲面來擬合所有數(shù)據(jù)點的辦法是不可行，這種操作過于簡單，不會生成我們想要的結果。一般的做法是，首先根據(jù)原形的特征，將測量的數(shù)據(jù)點分割成不同的區(qū)域，每一個區(qū)域擬合出一個曲面，通常這些曲面都是不同的，然后利用曲面求交和曲面過渡的方法將不同的曲面連接起來，形成一個完整的體。將所測得的三維數(shù)據(jù)有效地分割和擬合是產品建模的關鍵技術，這也是考驗設計人員的地方。產品建模是實物模型建立的最初步驟，它的完成除了需要設計人員的經驗技巧外，所使用的軟件也是相當關鍵，好的軟件可以為設計人員節(jié)省大量時間，減小工作量。

目前在我國，有關逆向工程的研究與開發(fā)工作也在不少單位內展開，如浙江大學、華中理工大學、西安交通大學、西北工業(yè)大學等。并取得一定的成果，如浙江大學推出了RE-SOFT軟件系統(tǒng)。計算機輔助設計軟件產生的模型文件輸出格式有多種，其中常見的有IGES、HPGL、STEP、DXF和STL等。在國際市場上，出現(xiàn)了多個與逆向工程相關的軟件系統(tǒng)，如美國PTC公PRO/ENGINEER，美國AUTODESK公司的AUTOCAD，美國SDRC公司的l—DEAS，以及美國SOLIDWORKS的SOLIDWORKS，美國EDS公司的UNIGKAPHICS，法國DASSAULT公司的CATIA等。

3.3 數(shù)控加工主義的問題

首先，數(shù)控機床工序趨向集中，所需機床數(shù)量和零件的裝夾次數(shù)減少，加工效率就高，但工序過于集中，程序過長，出錯率高，并給檢索帶來困難等。所以應根據(jù)零件加工內容的多少及本廠數(shù)控加工設備的具體情況靈活決定工序的集中與分散程度。其次，遵循先粗后精工藝原則，對加工剛度較小的零件，粗加工后可能發(fā)生變形，需要校形或者消除殘余應力并在精加工中修正誤差。最后，為消除重復定位誤差的影響，提高孔系的同軸度，對于同軸度要求很高的孔系，通過連續(xù)換刀來完成該同軸孔系孔的全部加工。然后再加工其它坐標位置的孔。

4 結語

制造業(yè)已經成為我國的支柱產業(yè)，近幾年中國制造走俏國際市場，這得益于我國制造業(yè)的水平的不斷提高。逆向工程技術是目前比較前沿的制造業(yè)技術，對這種技術的掌握和發(fā)展關系到我們搶占制造業(yè)份額。模具制作在逆向工程中只是一個小的應用，但它極大改善了模具的質量。本文我們簡單介紹逆向工程技術的應用概況以及它的原理，重點分析了逆向應用技術的工藝流程，尤其是數(shù)字化掃描和產品建模技術，最后給出了數(shù)控加工應該注意的幾點地方，希望能對同行有所幫助。

參考文獻

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