無原始模型的失效模具的快速修復

唐文彬，劉曉晶，孫威，王洪強，王孟

哈爾濱理工大學 材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040

模具及機械零部件在長期加工生產(chǎn)過程中，由于長時間磨損會出現(xiàn)缺失破損情況，從而影響設備的正常使用。本文針對無原始模型模具，提出采用逆向工程技術(shù)[1]（revers engineering），修復出和原始模型具有同樣功能效果的模具。逆向工程技術(shù)已經(jīng)發(fā)展有30多年，但在模具修復中的應用并不普遍。本文采用先進的三維掃描技術(shù)，通過3D CaMega光學掃描儀，獲得精確的失效模具的點云數(shù)據(jù)，優(yōu)化點云處理，并結(jié)合專業(yè)逆向點云處理軟件Geomagic Design X完成對失效模具模型的重構(gòu)。使用的逆向建模軟件Geomagic Design X是目前市場上專業(yè)的逆向工程軟件。主要的逆向建模思路是通過點云數(shù)據(jù)重構(gòu)出零件模型的三角網(wǎng)格面片，再通過三角網(wǎng)格面片的曲率變化與復雜型面等模型特征將其劃分為顏色不同的領(lǐng)域組[2]；接下來對劃分的領(lǐng)域組分別進行模型的特征區(qū)分識別，判斷模型的外形特征為規(guī)則、非規(guī)則或者為自由變化曲面片、標準曲面[3]；最后通過Geomagic Design X中的草圖模塊、放樣模塊、掃描模塊、擬合面片模塊等重構(gòu)出由面片構(gòu)成的殼體模型，將曲面面片構(gòu)建成實體模型就完成了零件從點云數(shù)據(jù)到實體模型的逆向工程建模流程[4]。

本文使用的失效模具為某車身模具鑲塊。材料為H13熱作模具鋼，由于長時間機械摩擦造成了表面磨損，無法繼續(xù)進行生產(chǎn)，決定使用逆向工程技術(shù)對失效模具進行重構(gòu)和模擬修復。

1 點云數(shù)據(jù)的采集與處理

1.1 數(shù)據(jù)采集的方法

逆向工程技術(shù)的實現(xiàn)首先需要有準確并迅速采集數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行處理優(yōu)化與曲面逆向重構(gòu)都是在這基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)信息采集是使用特殊的方式對產(chǎn)品表面形狀獲取，并以三維空間點云的形式儲存[5]?，F(xiàn)在市場上點云數(shù)據(jù)采集方法較多，依據(jù)測量過程中設備是否與產(chǎn)品接觸主要分為接觸式與非接觸式[6]。接觸式比較常見的設備為三坐標測量儀，主要通過紅寶石探頭對零件進行測量；非接觸式設備同磁、聲和光等技術(shù)學科相關(guān)，伴著激光測量相關(guān)技術(shù)研究的進步，激光掃描變成三維實體掃描領(lǐng)域中較為普遍的測量方式。

本文數(shù)據(jù)采集是通過3D CaMega光學掃描儀對失效模具進行掃描獲取的，失效模具如圖1所示。

圖1 失效模具

1.2 失效模具掃描前處理

1.2.1 去除表面毛刺、銹蝕

掃描獲取點云之前需要對失效模具進行表面處理。由于模具在長期的使用過程中會存在一些缺陷，比如不規(guī)則缺口、毛刺、變形等。假如不對上述缺陷進行表面處理，則會對失效模具的點云獲取產(chǎn)生極其大影響。由于毛刺等缺陷會造成點云數(shù)據(jù)獲取時的缺失，處于失效區(qū)域的點云缺失將直接影響點云處理與逆向建模的準確性[7]。

1.2.2 模具表面著色處理

本文使用3DCaMega非接觸式的光學掃描儀掃描獲取失效模具的點云數(shù)據(jù)，需要對失效模具進行表面著色處理[8]。將容易反光的機械模具表面噴涂著色劑，可以使生成的光柵條紋比正常情況下模具表面生成的條紋亮暗程度更顯著[9]。

1.2.3 失效模具掃描規(guī)劃

根據(jù)失效模具結(jié)構(gòu)，由于模具的不規(guī)則內(nèi)孔多，為了全面掃描出模具表面結(jié)構(gòu)，通過大量掃描實驗，從不同的方向進行掃描，在確保失效模具表面信息完整性的同時，盡量降低數(shù)據(jù)量，便于使用逆向點云處理軟件進行封裝拼接。最后決定分成2部分進行掃描，豎向掃描部分如圖2（a）所示，橫向掃描如圖2（b）所示。

圖2 失效模具掃描規(guī)劃

1.3 失效模具點云處理

點云處理的大致工作順序是：1）將掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)導入 Geomagic studio中；2）將散亂的點云進行點對象聯(lián)結(jié)；3）通過軟件將非連接項、體外孤點、噪聲點清除，最后進行數(shù)據(jù)精簡[10]。最終形成的點云數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 點云數(shù)據(jù)

2 失效模型的曲面重構(gòu)

2.1 失效模具領(lǐng)域劃分

在逆向建模軟件 Geomagic Design X 里，通過點云數(shù)據(jù)的曲率變化與外形特征，將面片劃分為不一樣的領(lǐng)域組[11]，然后通過劃分的領(lǐng)域獲取模型特征。

本文將失效模具點云數(shù)據(jù)導入逆向建模軟件Geomagic Design X 中，分析模具的外形特征。根據(jù)其復雜程度進行敏感參數(shù)值的設置，對失效模具的點云模型進行領(lǐng)域劃分。由于模型比較復雜，復雜曲面較多，所以將自動分割中的敏感度調(diào)節(jié)為10，面片的粗糙度設為平滑。領(lǐng)域組劃分情況如圖4所示。由于曲面復雜，需要對領(lǐng)域組進行部分調(diào)整，尤其是失效區(qū)域的位置和難成形的位置。

圖4 領(lǐng)域組劃分

2.2 建立坐標與基準平面

本文使用的失效模具具有結(jié)構(gòu)相對復雜、曲面外形多變的特點，建立準確的基準相對比較麻煩。根據(jù)失效模具的結(jié)構(gòu)特征建立基本的平面，在建模過程中繼續(xù)構(gòu)建基準，如圖5所示，建立了上曲面的5個方向的基準平面與2個對稱中心平面。

圖5 建立坐標與基準平面

2.3 建立模型曲面面片

本文構(gòu)建的失效模具結(jié)構(gòu)，劃分完領(lǐng)域組以后，以破損區(qū)域為例進行曲面面片的構(gòu)建。首先根據(jù)型面結(jié)構(gòu)選擇合適的基準平面，然后根據(jù)不同區(qū)域曲面的變化平移初始基準平面，從而形成足夠的基準平面。如圖6所示，將破損區(qū)域構(gòu)建6個基準平面，通過基準平面進行平面投影，會出現(xiàn)失效模具的截面輪廓。通過平面草圖功能分別對構(gòu)建的基準平面進行操作，根據(jù)失效模具破損區(qū)域的曲率變化構(gòu)建草圖，通過逆向建模軟件Geomagic Design X 中的放樣功能，結(jié)合構(gòu)建的草圖進行曲面放樣，在5個曲線之間放樣曲面，放樣構(gòu)建的曲面面片如圖7所示。

圖6 基準平面分布

圖7 曲面面片

由上述操作分別建立失效模具頂部的復雜曲面面片，以及另外方向上的平面面片。通過逆向工程軟件中的面片擬合、布爾運算、面片延長等功能對構(gòu)造的面片進行拼接，最后構(gòu)造出失效模具的面片模型，如圖8所示。

圖8 失效模具的面片模型

2.4 建立失效模具模型

由構(gòu)建的面片模型重構(gòu)出三維實體模型，根據(jù)已有的面片可以使用逆向建模軟件進行拉伸、旋轉(zhuǎn)、布爾運算等操作，將殼體模型進行實體化建模[12]。

構(gòu)建完成的三維實體模型還存在很多問題需要處理，比如：掃描時未被掃描到的點云數(shù)據(jù)、表面光順度不夠好等，需要根據(jù)失效模具實體零件對三維模型進行后續(xù)的加工操作。觀察零件發(fā)現(xiàn)有7個沉頭孔，由逆向建模軟件中的拉伸功能建立孔的平面草圖，動測量獲取直徑數(shù)據(jù)，實際零件測量獲得深度值，最后求差獲得目標模型。由模型中的編輯功能對三維模型進行倒圓角、倒直角和拔模等，使模型更加順滑，失效模具模型如圖9所示。

圖9 失效模具模型

3 完整模型重構(gòu)及修復

3.1 重構(gòu)出原始模型

通過獲得的失效模具實體模型，結(jié)合失效區(qū)域曲率的變化，重構(gòu)出原始的三維模型。逆向建模軟件Geomagic Design X對失效模具操作如下：

1）將失效模具的模型導入到Geomagic Design X中。首先根據(jù)失效區(qū)域的破損變化建立一個沿著破損區(qū)域的中心基準平面；然后建立垂直于此基準平面的基準平面，共建立12個基準平面，如圖10所示。

圖10 基準平面

2）通過建立的基準平面進行面片草圖操作。根據(jù)模型的型面變化投影出失效模具的截面圖，如圖11（a）所示；然后根據(jù)失效區(qū)域兩邊的曲率變化進行橋接曲線，讓磨損曲率突變的區(qū)域變得順滑，構(gòu)建閉合的多線段，如圖11（b）所示。

圖11 失效區(qū)域截面草圖

3）通過構(gòu)建的9個面片草圖，使用實體放樣功能將面片草圖構(gòu)建成實體，即失效區(qū)域?qū)嶓w模型，如圖12所示。

圖12 失效區(qū)域?qū)嶓w模型

最后將破損區(qū)域與失效模具進行求和，獲取修補后的失效模具三維模型，即為模具的原始模型。如果修補后不能達到要求還可以使用該軟件進行正向草圖編輯，直到最后完成目標模型。模具原始模型如圖13所示。

圖13 模具原始模型

3.2 求出修復區(qū)域

通常將失效零件的標準模型與失效模型在三維建模軟件中對齊后進行布爾求差處理，獲得的實體部位就是待修復區(qū)域的實體，這種方法叫做實體求差法。

本文由于沒有失效模具的標準模型，在進行失效模型到原始模型的修復過程中修補的區(qū)域即為待修補區(qū)域，如圖14所示。

圖14 待修補區(qū)域

本文使用TIG焊根據(jù)模具失效區(qū)域中重新建模好的數(shù)據(jù)，進行焊接，最終把模具失效部分修補好，完成模具的修復工作。結(jié)果如圖15所示，線框內(nèi)為修復好的區(qū)域。

圖15 失效區(qū)域修復后的模具

4 結(jié)論

本文將逆向工程技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，對無原始模型的失效模具進行三維掃描并重構(gòu)出實體模型，實現(xiàn)了失效模具修復量的準確控制，得到如下結(jié)論：

1）結(jié)合失效模具破損區(qū)域情況與失效模具整體的零件外形，使用3DCaMega光學掃描儀進行有效的掃描。通過專業(yè)點云數(shù)據(jù)處理軟件Geomagic studio對失效模具點云數(shù)據(jù)進行處理，得到完整且精確的模具點云數(shù)據(jù)。

2）將逆向點云處理軟件與Geomagic Design X相融合共同完成了曲面重構(gòu)與失效模具模型的建立。根據(jù)失效模具點云的表面質(zhì)量設計出了合理的曲面重構(gòu)方案；在Geomagic里面設置了合理的參數(shù)提高計算機運算效率。由于失效模具表面曲面比較復雜，則需要進行分割面片建立曲面，構(gòu)建完面片后進行了面片的修剪以及拼接。通過建立的面片進行了型的構(gòu)建，由此獲得了失效模具的模型與原始模型，同時獲得了失效區(qū)域的修復量，提供了一種無原始模型的失效模具快速修復新工藝。

3）通過運用TIG焊修復失效模具，獲得了質(zhì)量較高的模具修復鑲塊。