論逆向工程技術(shù)及其在模具設計制造中的應用

李輝 盧濤

【摘?要】逆向工程技術(shù)是通過對原始產(chǎn)品信息的研究和分析來獲得產(chǎn)品的外觀特征，并將其作為模具設計和制造方法的基礎，這是一種廣泛使用的方法。本文主要討論逆向工程技術(shù)及其在模具設計和制造中的應用，對逆向工程技術(shù)的應用規(guī)范性進行分析，以求為模具設計制造技術(shù)的發(fā)展貢獻一份力量。

【關(guān)鍵詞】逆向工程;模具設計;制造應用

引言

隨著我國制造業(yè)的不斷發(fā)展，逆向工程技術(shù)作為一種新型的技術(shù)媒介，不僅可以減少實踐中的設計制造時間，還可以有效地提高制造質(zhì)量，達到提高整體經(jīng)濟效益的目的。在制造公司中最重要的事情是加強技術(shù)研究和分析，在模具生產(chǎn)設計中合理應用逆向工程技術(shù)可以有效提高模具質(zhì)量。

一、傳統(tǒng)模具設計制造技術(shù)

以精密鑄造生產(chǎn)的普通機床零件為制造工藝，屬于傳統(tǒng)模具制造的范疇。在傳統(tǒng)的模具制造中，通常采用以下兩種方法：一種是使用液壓三維模具銑床制作比例模型，另一種是使用三維雕刻機制作比例模型。但是，這種制造方法存在許多空白，除了產(chǎn)品尺寸的精確性較差外，產(chǎn)品穩(wěn)定性也較差，還需要大量的人力成本，這對企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展造成極大阻礙。在這種情況下，無疑將給以后的數(shù)控加工和質(zhì)量檢驗工作帶來困難。由于實際的鑄模在某種程度上也可以歸納為一種產(chǎn)品生產(chǎn)，因此不可避免地會有偏差和收縮，并且用這種模具生產(chǎn)的產(chǎn)品肯定會有一定的缺陷性。

二、逆向工程技術(shù)的應用概述

在人民生活水平不斷提高的過程中，現(xiàn)代技術(shù)產(chǎn)品的更新速度越來越快，產(chǎn)品功能呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的模具設計和制造無法滿足客戶的需求，通過現(xiàn)代模具制造技術(shù)和反向3D掃描技術(shù)進行加工可以有效滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的實際需求。

逆向工程技術(shù)也稱為逆向3D技術(shù)等，它是基于工程零件的物理基礎，通過3D掃描技術(shù)進行處理，獲得相應的點云數(shù)據(jù)信息，使用逆向工程的3D軟件執(zhí)行模型設計和處理，最后從工程零件模型中獲取參數(shù)信息。

（一）原始點云數(shù)據(jù)

逆向設計中的3D掃描技術(shù)是最基本的技術(shù)形式。通過3D掃描從零件中提取原始數(shù)據(jù)也是逆向設計中最重要的方法和內(nèi)容。逆行設計過程的主要基礎是原始點云數(shù)據(jù)。因此，點云數(shù)據(jù)的真實性也將對反向建模的成功產(chǎn)生嚴重影響。通過三維掃描獲取的點云數(shù)據(jù)可以在測量過程中以接觸和非接觸方式使用。

（二）點云數(shù)據(jù)的實際應用

在3D掃描技術(shù)中，需要獲取大量的點云數(shù)據(jù)，并且該數(shù)據(jù)是以3D坐標點的形式展示出來的。由于掃描設備的性能和被測物體的工作方式的影響，測量數(shù)據(jù)點的數(shù)量也不同，通常在幾百點到幾百萬點之間。產(chǎn)品的產(chǎn)品坐標數(shù)據(jù)點通過三維激光掃描儀進行分析，這些激光散射后會導致在極限位置和銳角位置的數(shù)據(jù)測量不準確，進而導致數(shù)據(jù)錯誤。因此，需要注意反向建模中的點云數(shù)據(jù)處理。可以在CAD建模之前對相關(guān)數(shù)據(jù)進行預處理，包括數(shù)據(jù)點的分割和重新排列以及點云數(shù)據(jù)的縮小。在點云數(shù)據(jù)處理過程中，主要使用Geomagic Studio的處理方法，包括手動測量、噪聲消除和邊界優(yōu)化。

（三）建模過程

首先打開文件，可以使用UGNX將其打開并進一步改善Geomagic尚未處理的位置，同時對所獲得的曲面進行立體切割，以得到與s體形狀匹配的模具與表面模型。由于采用了模具外殼，因此主體的形狀與原始對象完全相同，因此可以用于以后的產(chǎn)品模型的生產(chǎn)。

三、逆向工程技術(shù)及其在模具設計制造中的應用

（一）幾何建模

制造商提供的原始信息材料不能確保數(shù)據(jù)的實際應用性，必須完整考慮客戶提供的信息的完整性。這方面可以有效地防止模型設計僅依賴于CAD，另一方面，可以有效地促進逆向工程技術(shù)與CAD/CAM系統(tǒng)的結(jié)合，從而提高模具設計的質(zhì)量。當前階段逆向工程技術(shù)的廣泛應用和三維仿真技術(shù)的實踐為模型設計帶來了新的發(fā)展空間，將新穎創(chuàng)新的想法變?yōu)楝F(xiàn)實。

（二）三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)

為了使零件掃描過程更加方便和準確，需要進行初步準備，例如設置基準、噴涂顯影劑、軟件校準、儀器校準等。相關(guān)人員可以使用三維激光掃描復印系統(tǒng)，精確掃描準備階段初期建立的一系列標記，在此基礎上，合并掃描數(shù)據(jù)，并可以直接從掃描源頭獲得數(shù)據(jù)。在掃描過程中，可以將新型的自動定位技術(shù)應用于此過程，將測量精度設置為0.1mm/0.5m，使用交叉激光掃描實時處理數(shù)據(jù)，最后生成一個三角形表面。為了確保沒有重疊的數(shù)據(jù)的準確性，避免數(shù)據(jù)冗余，可以使用.STL格式進行數(shù)據(jù)輸出。掃描時，必須使用三維激光掃描系統(tǒng)在各個方向和多個角度掃描整個零件。

（三）三維幾何建模

建模過程看似簡單，但實際上涉及復雜的數(shù)據(jù)處理。對于數(shù)據(jù)處理，需要應用到相應的圖表，這些圖表不僅可以通過數(shù)據(jù)擬合、密集度修改方法來獲得，還可以通過區(qū)域裁剪、數(shù)據(jù)平滑來獲得。

要提取剖面線，必須進行一系列準備工作，最重要的是對齊零件的點云。要對齊零件點云，首先必須使用相關(guān)軟件來掃描通過掃描Transfer獲得的點云文件，然后必須以特定方式執(zhí)行相應的輔助參考點（例如分析目標云的云特征）等。提取點云數(shù)據(jù)后不會立即對其進行處理，并且由于原始數(shù)據(jù)通常非常復雜，因此需要進行大量的后優(yōu)化處理，這需要過濾這些參數(shù)，然后進行平滑處理等后優(yōu)化處理并完善缺失點。只有這樣，才能處理不必要的數(shù)據(jù)并降低點云的密度，才能加快數(shù)據(jù)處理的速度和精度，并有效地構(gòu)建零件的對稱參考平面。

如果要重建模型，則需要注意要素線的有效提取。在此過程中，必須首先根據(jù)零件的外部特性劃分平面，孔，槽，圓柱面和其他二次曲面等區(qū)域。然后必須分割零件點云，并且必須通過分割來劃分二次曲面，確保點云符合構(gòu)造平面，內(nèi)孔，凹槽和圓柱面的需要。另外，零件的外部特性也可以直接完成，可以使用直線較差的方式來確定平面，也可以使用矢量或截面線來確定圓柱面或內(nèi)孔。該過程需要將實際測量數(shù)據(jù)與系統(tǒng)掃描數(shù)據(jù)結(jié)合在一起。表面的特征線必須根據(jù)自由曲面構(gòu)造。想要獲得自由形狀的表面，必須首先獲得所需的截面線，該截面線是根據(jù)零件點云完成的，然后在刪除冗余點云之后執(zhí)行點平滑處理，處理后的點云進行調(diào)整以獲得曲線。

四、實際加工過程概述

（一）立體光固化加工技術(shù)

具體地講，以光敏樹脂為主要加工原料，計算機控制紫外激光束并掃描零件各層的輪廓，從而使液態(tài)樹脂薄層通過光聚合固化。在移動工作臺時，將固化的樹脂浸入液態(tài)樹脂中，然后進行掃描，直到新層也粘附到固化層上。通過重復操作，整個原型就完成了。以這種方式生產(chǎn)的原型具有高質(zhì)量和高精度。

（二）固體分層制造技術(shù)

使用的主要材料是復合材料和紙張，這些材料的一側(cè)應涂有熱熔膠，同時，通過將輪廓切割成高速二氧化碳部分的光層，各層之間的熱壓裝置能夠進行有效粘合，這種材料的成本低，并且材料的來源也比較廣泛。

（三）融化凝固加工技術(shù)

所使用的主要原材料是蠟、金屬和其他熔點相對較低的材料。這些材料必須拉伸成細絲，然后在噴嘴位置加熱，以使其變?yōu)榘肓黧w。同時，控制噴嘴，并將零件輪廓用作填充運動的基礎，噴嘴的擠壓能夠使熔融材料形成基礎層，以這種方式形成的模具太粗糙并且缺乏精度。

五、結(jié)束語

總之，逆向工程技術(shù)的應用重點在于原始點云數(shù)據(jù)的收集、處理和表面構(gòu)造，困難在于點云和表面的一致性。結(jié)合CAD技術(shù)，有利于獲得原始的物理數(shù)字模型，并將其用作修改和改進的基礎，這為模具設計和加工提供了更多便利，對設計行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。在實際應用過程中，必須結(jié)合實際的設計制造要求進行綜合技術(shù)的應用，通過多種現(xiàn)代化技術(shù)確保設計生產(chǎn)的精確性和效益性，為企業(yè)的發(fā)展打下良好的技術(shù)基礎。

參考文獻：

[1] 鄧銳，吳俊超，黃堅.逆向工程技術(shù)及其在模具設計制造中的應用初探[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（21）：108.

[2] 李波，向思穎.逆向工程技術(shù)在模具設計制造中的應用分析[J].西部皮革，2016，38（18）：9.

[3] 王勁鋒.模具設計制造中逆向工程技術(shù)應用分析[J].硅谷，2013，6（04）：20+163.

[4] 成思源，張湘?zhèn)?，黃曼慧.逆向工程技術(shù)及其在模具計制造中的應[J].機械設計與制造，2009（06）：233-235.

（作者單位：焦作科瑞森重裝股份有限公司）