逆向工程技術(shù)與模具數(shù)字制造技術(shù)

劉衛(wèi)東

摘 要：隨著市場需求變化和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，制造業(yè)的產(chǎn)品種類更新加快，質(zhì)量要求日益提高，促使模具制造技術(shù)的發(fā)展也要越來越快。逆向工程技術(shù)以快速、高效和精確的優(yōu)勢改變了模具企業(yè)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)模式，給模具設(shè)計(jì)和制造開辟了新的前景，形成了數(shù)字化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的模具數(shù)字制造技術(shù)，本文就此技術(shù)作討論探究。

關(guān)鍵詞：逆向工程技術(shù);模具制造;數(shù)字化設(shè)計(jì)

逆向工程作為不同于傳統(tǒng)技術(shù)的一種非常高效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，為產(chǎn)品提供先進(jìn)的開發(fā)、設(shè)計(jì)及制造的技術(shù)支撐，可以迅速、精確、方便地獲得實(shí)物的三維數(shù)據(jù)及模型。目前，逆向工程技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，比如汽車外觀模具設(shè)計(jì)、文物修復(fù)、醫(yī)學(xué)上的人工器官等。而且它在模具數(shù)字制造技術(shù)中的應(yīng)用是模具制造領(lǐng)域中發(fā)展最迅速的技術(shù)之一，它可以實(shí)現(xiàn)模具生產(chǎn)零件的快速反求、快速設(shè)計(jì)與制造，從而提高模具的設(shè)計(jì)效率、準(zhǔn)確性和縮短模具的設(shè)計(jì)周期。

一、逆向工程技術(shù)

逆向工程技術(shù)是利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備對實(shí)物的外形或內(nèi)腔進(jìn)行掃描或測量，獲得實(shí)物的形狀數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理，對產(chǎn)品進(jìn)行剖析和改進(jìn)，完成實(shí)物產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)和再制造的技術(shù)。逆向工程主要過程為產(chǎn)品實(shí)物幾何外形的數(shù)字化、CAD模型重建、產(chǎn)品或模具制造，即逆向工程系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型的重建三部分組成。

（一）數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集是逆向工程系統(tǒng)的第一步。數(shù)據(jù)采集設(shè)備的精度及操作方法的正確性將直接影響實(shí)物三維CAD數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性、效率高低、數(shù)據(jù)完整性等，最終也將影響零件產(chǎn)品的制造質(zhì)量。因此，數(shù)據(jù)采集階段是逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前應(yīng)用于逆向工程的數(shù)據(jù)采集方法有很多，其中最常用的數(shù)據(jù)采集方法有以下三種：

1.非接觸式測量法。非接觸測量法是利用光、聲、磁的特性照射或輻射實(shí)物表面，以獲取零件或模型實(shí)物表面上點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，完成對象的數(shù)據(jù)采集。根據(jù)測量原理的不同，非接觸式測量法有光學(xué)測量法、超聲波測量法和電磁測量法等，目前用非接觸測量法采集數(shù)據(jù)較成熟的技術(shù)是光學(xué)測量法，如激光掃描法、莫爾條紋法等。

2.接觸式測量法。接觸式測量法是用一定形狀的探頭機(jī)械接觸實(shí)物的表面，通過儀器對探頭與實(shí)物接觸點(diǎn)的實(shí)際空間位置記錄和運(yùn)算，而獲取零件或模型實(shí)物表面上點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。目前用接觸測量法采集數(shù)據(jù)最常用的設(shè)備是三坐標(biāo)測量機(jī)，三坐標(biāo)測量機(jī)是集機(jī)、電、算于一體的機(jī)械接觸式精密測量設(shè)備。

3.逐層掃描法。逐層掃描法是一種新興的測量技術(shù)。逐層掃描法利用光在實(shí)物內(nèi)外表面逐層掃描，而獲得實(shí)物表面三維數(shù)據(jù)。這種掃描法不受實(shí)物表面復(fù)雜程度的影響，并可實(shí)現(xiàn)對零件或三維模型實(shí)物的內(nèi)外面同時(shí)進(jìn)行測量，到達(dá)提高掃描的效率和質(zhì)量的目的。

（二）數(shù)據(jù)處理

對于用逐層掃描法等數(shù)據(jù)采集方法獲取實(shí)物上的一系列點(diǎn)數(shù)據(jù)，因受外界工作環(huán)境或設(shè)備精度等客觀因素的影響，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中會(huì)存在一些不真實(shí)的點(diǎn)數(shù)據(jù)，所以在后續(xù)用軟件進(jìn)行三維CAD模型重構(gòu)之前，要對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、測頭半徑補(bǔ)償、噪聲濾除、修補(bǔ)、對齊、歸并及平滑等處理和模型曲線、曲面創(chuàng)建，形成點(diǎn)云模型。

（三）模型重建

將處理過的測量點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD模型建模軟件系統(tǒng)，對前面創(chuàng)建的點(diǎn)云實(shí)物表面曲線、曲面實(shí)體化，構(gòu)建出零件或模型的CAD模型。根據(jù)需要也可以對實(shí)體模型進(jìn)行二次優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足產(chǎn)品個(gè)性化設(shè)計(jì)與制造的需求。

二、模具數(shù)字制造技術(shù)

當(dāng)今制造業(yè)模具產(chǎn)品具有種類更新、改型加快的特點(diǎn)，促使模具的更新也越來越快。對精密、復(fù)雜、大型、長壽命模具的需求越來越迫切，因此在模具生產(chǎn)中一些大型模具企業(yè)采用了一些先進(jìn)加工設(shè)備和新的設(shè)計(jì)與制造工藝。新工藝及新設(shè)備的引入，大大改善了模具的加工質(zhì)量，也提高了模具制造的效率和自動(dòng)化程度，縮短了生產(chǎn)周期和降低了生產(chǎn)成本。模具數(shù)字制造技術(shù)主要體現(xiàn)在CAD/CAM技術(shù)。CAD為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，應(yīng)用在模具零件設(shè)計(jì)階段，復(fù)雜三維模型的獲得需要以前期的逆向數(shù)據(jù)采集和處理為基礎(chǔ)，以復(fù)雜設(shè)計(jì)軟件為支撐;CAM為計(jì)算機(jī)輔助制造，主要以數(shù)據(jù)模具和程序?yàn)榛A(chǔ)，利用數(shù)控機(jī)床或快速制造設(shè)備完成模具零件的制造。

三、逆向工程技術(shù)與模具數(shù)字制造技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

目前，模具數(shù)字制造技術(shù)中的CAD/CAM技術(shù)已經(jīng)在我國的模具制造業(yè)有了較大發(fā)展，一些正向設(shè)計(jì)軟件，如Pro/E、UG等CAD設(shè)計(jì)軟件，還有數(shù)控銑床、加工中心、光學(xué)曲線磨床等CAM加工設(shè)備在模具生產(chǎn)中廣泛采用。逆向工程技術(shù)作為一種新型產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)方法，可以精確、高效地獲得零件產(chǎn)品的數(shù)字三維數(shù)據(jù)和數(shù)字模型，為新產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)或已有產(chǎn)品的修復(fù)與二次設(shè)計(jì)提供先進(jìn)的制造技術(shù)支撐平臺。雖然逆向工程技術(shù)將推動(dòng)模具數(shù)字制造技術(shù)的發(fā)展，但是在當(dāng)今實(shí)際的模具設(shè)計(jì)與制造中，逆向工程工具及軟件還缺乏與其它工具及軟件的有效集成，影響到逆向工程技術(shù)使用的普及率，導(dǎo)致逆向工程技術(shù)實(shí)際應(yīng)用發(fā)展上的困難。如果能結(jié)合三維激光掃描、數(shù)字化建模、3D打印、應(yīng)用軟件、工藝優(yōu)化、智能化檢驗(yàn)檢測等先進(jìn)技術(shù)，對逆向工程技術(shù)在快速模具制造中的應(yīng)用做進(jìn)一步的研究，必將解決逆向工程技術(shù)在快速模具制造中缺乏普及應(yīng)用的難題，獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用價(jià)值。

四、逆向工程技術(shù)在模具數(shù)字制造技術(shù)中的優(yōu)化途徑

以三維激光掃描儀為逆向工程技術(shù)中數(shù)字化設(shè)備的研究工具，以準(zhǔn)確地還原較復(fù)雜的塑料模具型腔工作零件的原始幾何參數(shù)為目的，快速準(zhǔn)確地曲面建模。模具逆向工程的具體實(shí)施過程與傳統(tǒng)的復(fù)制步驟是一樣的，即在對實(shí)物測繪并進(jìn)行再設(shè)計(jì)后，獲得模具或零件的數(shù)學(xué)模型，然后進(jìn)行加工復(fù)制。逆向工程的工作過程如下圖所示：

在模具設(shè)計(jì)與制造過程中，結(jié)合Win3DD的單目三維掃描儀軟件、UP BOX+的快速成型軟件、模流分析軟件Moldflow、Pro/E、UG等幾種專門軟件的功能，分別從快速原型技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)等典型制造工藝出發(fā)，進(jìn)行掃描、建模、模擬加工、生成NC程序，對曲面進(jìn)行實(shí)體化。對三維模型進(jìn)行掃描、建模、模擬加工、生成NC程序，并完成精確的模具零件快速原型和數(shù)控加工。分析比較得出間接法和直接法的模具快速制造特點(diǎn)和問題，可為優(yōu)化逆向工程技術(shù)在快速模具制造中的應(yīng)用提供有效的新途徑。

逆向工程技術(shù)在模具制造中應(yīng)用的主要有兩個(gè)重點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)：一是模具產(chǎn)品或原型件表面數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，即數(shù)字化掃描技術(shù);二是模具產(chǎn)品建模技術(shù)。數(shù)字化掃描是產(chǎn)品或模型表面數(shù)據(jù)獲取的數(shù)字化過程，掃描的原理是激光發(fā)生器發(fā)出的激光，連續(xù)掃描實(shí)物內(nèi)外表面的非接觸式測量，以每秒采集十至上千點(diǎn)數(shù)據(jù)而獲得空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并把采集到的數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)中。根據(jù)模型制造的需要，可以對掃描模型進(jìn)行編輯、二次設(shè)計(jì)以及格式轉(zhuǎn)換，送到其他CAD/CAM系統(tǒng)中進(jìn)行進(jìn)一步處理，最后生成需要的快速成型或數(shù)控NC加工程序。在實(shí)際操作中，通常對于復(fù)雜型面，用一張曲面簡單來擬合原型上的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)云基本上是行不通的。一般首先根據(jù)原型整體表面所具有的不同特征，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割成不同的區(qū)域，在各個(gè)分割的區(qū)域內(nèi)分別擬合出不同的曲面，然后采用曲面間過渡或曲面求交的方法將不同特征的曲面連接成一個(gè)整體，合理的三維測量數(shù)據(jù)區(qū)域分割和擬合技術(shù)優(yōu)化是逆向工程技術(shù)中非常重要的內(nèi)容。

結(jié)論

逆向工程技術(shù)在模具數(shù)字制造技術(shù)中的產(chǎn)品快速研發(fā)中的應(yīng)用研究，以實(shí)物的反求流程為主線，把流程中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)孤立軟件結(jié)合起來進(jìn)行應(yīng)用研究，尋求軟件參數(shù)的最佳優(yōu)化，從而使模具制造快速化、精確化，助推企業(yè)智能制造競爭力的提升。

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