逆向工程在凹模修復設計中應用

【摘要】文章研究的核心是解決沖壓模具中損壞凹模零件修復問題。為了修復已經(jīng)損壞的凹模零件，運用三維掃描儀掃描凹模零件，通過Geomagic Wrap和Geomagic Design X逆向工程軟件來處理已經(jīng)掃描的點云數(shù)字模型，重新建模設計凹模零件，形象直觀地解決了已經(jīng)損壞凹模零件的修復問題。本次凹模修復為往后相似零部件修復提供了一定參考意見。

【關(guān)鍵詞】Geomagic? 凹模? 逆向工程? 掃描? 修復

在模具生產(chǎn)企業(yè)中，經(jīng)過長期沖壓加工，有許多沖壓模具零件損壞，這些損壞的零件沒有設計圖紙，使損壞模具零件加工難度大幅度增加。本文運用三維掃描技術(shù)和Geomagic Design X軟件對發(fā)生裂紋或崩刃等缺陷的凹模進行逆向建模，能夠快速準確地還原初始模型結(jié)構(gòu)，減少了已經(jīng)損壞凹模零件重新設計時間，有效提高模具設計的經(jīng)濟效益，快速高效重構(gòu)凹模三維模型。

1、三維模型數(shù)據(jù)采集

點云數(shù)據(jù)采集是逆向工程設計的源頭，本次研究是應用北京三維天下有限公司的WIN3DD掃描儀采集凹模數(shù)據(jù)，該掃描儀具有較高的尺寸精度、較高的自動化操作和使用方便等優(yōu)點。掃描儀的具體采集步驟如下：1）對于表面反光強烈的零件，不利于數(shù)據(jù)采集，表面需要噴涂顯像劑;2）在掃描件的表面黏貼適當數(shù)量標定點;3）對凹模進行特征數(shù)據(jù)采集，獲得其表面點云數(shù)據(jù)。掃描獲得點云數(shù)字圖形如圖1所示。

2、點云數(shù)據(jù)分析與后處理

在掃描三維模型時，由于受到掃描技術(shù)等多種因素影響，故所采集的點云數(shù)據(jù)存在空洞、雜點等缺陷，運用采集點云數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，刪除非連接項和體外孤點，去除雜點之后可以提高逆向建模的精度。用三維掃描儀掃描的數(shù)據(jù)以“.asc”的格式導入逆向建模軟件Geomagic Wrap中，對導入的點云數(shù)據(jù)進行設置，比例為 “100%”，單位為“毫米”，運用該軟件的點云數(shù)據(jù)處理方法，分別對已經(jīng)掃描的點云文件進非連接項、體外孤點、減少噪音和著色等后處理，優(yōu)化點云數(shù)字模型，并進行封裝，最終獲得由三角面片組成的三維數(shù)字模型，具體三角面片模型形如圖2所示。

封裝后所獲得三角面片模型還存在一些釘狀物和空洞等缺陷，可以利用該軟件中的網(wǎng)格醫(yī)生、去除釘狀物和去除特征命令來修復三角面片模型，并保存為“.stl”格式，修復后的三角面片模型如圖3所示。

3、三維模型重新建模

將點云數(shù)字圖形封裝成三角面片后，即將進行三維實體重新建模階段。運用Geomagic Design X逆向建模軟件進行預處理和三維實體重新建模，最終得到三維實體數(shù)字模型。

3.1 沖壓凹模預處理

預處理過程中最關(guān)鍵的兩個步驟就是劃分“領(lǐng)域組”和 “視圖對齊”操作，如圖4所示。

1）領(lǐng)域組。在重構(gòu)三維模型的過程中，需要提取產(chǎn)品表面特征，由于凹模零件結(jié)構(gòu)不太復雜，可以采用“領(lǐng)域組”命令中自動分割的方法來劃分領(lǐng)域，并對劃分不合理領(lǐng)域進行手動分割和合并，直至獲得合理領(lǐng)域劃分。

2）視圖對齊。視圖對齊分為“自動對齊”和“手動對齊”兩種方法，由于“自動對齊”會出現(xiàn)太多的數(shù)字模型信息，以至于無法準確選擇坐標系，故這里選擇“手動對齊”中追加參考點和參考平面方法，確保凹模模型坐標系對齊。

3.2重構(gòu)凹模三維模型

1）提取。運用Geomagic Design X軟件中面片草圖命令，利用投影數(shù)字模型截面方法來提取凹模輪廓線。

2）擬合。擬合沖壓凹模截面輪廓線，該輪廓線要光順連接，最終得到三維實體數(shù)字模型輪廓線。

3）拉深。運用Geomagic Design X軟件中實體拉深命令，拉深凹模輪廓線到數(shù)字模型的上表面領(lǐng)域，并對凹模實體數(shù)字模型倒圓角，獲得凹模三維數(shù)字實體模型。

4）凹模數(shù)字模型。獲得凹模三維實體數(shù)字模型后，需要關(guān)閉面片、領(lǐng)域和參考平面，并打開實體模型按鈕，通過Geomagic Design X軟件輸出“.stp”格式三維建模實體文件，如圖5所示。

4、重新構(gòu)建模型質(zhì)量分析（偏差檢查）

為了確保三維模型的尺寸精度和完整性，需要對已經(jīng)逆向建模零件進行尺寸偏差分析與檢測，獲得三維數(shù)字模型的質(zhì)量檢測分析結(jié)果。

4.1偏差分析

由于受到掃描儀自身精度和操作誤差等因素影響，給零部件尺寸偏差和點云數(shù)據(jù)完整性帶來較大影響，根據(jù)企業(yè)對凹模零件質(zhì)量實際需求，設定逆向設計三維模型與原始產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型上下尺寸偏差為0.1mm，通過彩色圖形進行偏差檢查，所創(chuàng)建三維模型與三角面片偏差在許用范圍之內(nèi)，因此逆向建模的三維模型符合凹模零件的使用要求，有效提高模具維修精度，具體分析情況如圖6所示。

4.2三維模型質(zhì)量分析

凹模三維模型重新建模之后，仍需要分析零部件的連續(xù)性和環(huán)境寫像，觀察凹模數(shù)字模型表面的連續(xù)性和光順性來分析評估三維數(shù)字模型質(zhì)量。由環(huán)境寫像和連續(xù)性分析圖（如圖7所示）可知，重新建模的凹模數(shù)字模型表面光順，滿足凹模零件表面質(zhì)量設計要求。

5、結(jié)語

本研究基于逆向工程中缺損凹模零件重新建立數(shù)字模型的方法，提煉出了基于Geomagic軟件的凹模逆向建模過程。研究結(jié)果說明，此方法運用該軟件提取二維面片草圖，且利用拉深命令成功逆向建模，并對凹模數(shù)字模型進行倒圓角，操作簡單便捷，實體建模精度高等特點。運用此種方法，有利于凹模數(shù)字模型重新建模，有利于降低模具維修成本，有利于提高模具維修精度。

參考文獻：

[1]劉勇，賴嘯，郭晟.基于Geomagic的葉輪逆向建模與再設計【J】.機械工程與自動化，2017（06）：51-56.

[2]徐連強.陶瓷產(chǎn)品逆向工程建模創(chuàng)新設計【J】.輕工科技，2018（07）：83-84.

[3]郭晟，劉勇，劉存平.射釘槍的逆向建模及七數(shù)字模型質(zhì)量分析【J】.機械工程與自動化，2019（06）：74-75.

[4]劉勇，賴嘯，沈濤，王強.逆向技術(shù)在模具零件修復設計中的運用【J】.機械工程與自動化，2019（06）：204-205.

[5]胡彥萍.3D掃描和逆向建模技術(shù)應用【J】.機械工程與自動化，2019（06）：202-203.

[6]紀海峰.基于Geomagic Design X的去毛器模型重構(gòu)紀誤差分析【J】.農(nóng)機使用與維修，2019（11）：8-9.

[7]譚偉林，彭志強，鄧浩.基于Geomagic Design X的玩具公仔逆向造型設計【J】.機械裝備研發(fā)，2019（12）：99-108.

[8]陳忠士，鄒澤昌，劉偉林.基于逆向工程技術(shù)的連桿創(chuàng)新設計【J】.機械工程師，2019（11）：77-85.

[9]周雪兆，石光林，呂少文.基于逆向工程技術(shù)構(gòu)建假肢-接受腔有限元分析【J】.廣西科技大學學報，2019（04）：60-83.

[10]曹素紅，呂肖男.藍牙音箱逆向設計與創(chuàng)新研究【J】.科技創(chuàng)新與應用，2019（35）：31-32.

作者簡介：陳森林（1976-），男，安徽合肥人，合肥職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院講師（工程師），碩士，研究方向：模具設計與制造、CAD/CAM、逆向工程技術(shù)。