模具設(shè)計制造中逆向工程技術(shù)的應(yīng)用

李文蓮

(山東華宇工學(xué)院機械工程學(xué)院，山東 德州 253034)

模具市場競爭日趨激烈，新產(chǎn)品層出不窮，技術(shù)水平不斷提升。模具企業(yè)不僅要快速開發(fā)產(chǎn)品，還要進行創(chuàng)新設(shè)計。逆向工程具有快速、高效、高質(zhì)量開發(fā)新產(chǎn)品的優(yōu)點，在模具設(shè)計與生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景[1]。

1 逆向工程技術(shù)

逆向工程主要是對零件的實際生產(chǎn)進行測試，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理，具有很高的綜合性，涉及材料學(xué)、生產(chǎn)工程學(xué)、計量學(xué)及現(xiàn)代設(shè)計理論。逆向工程技術(shù)是一種對新產(chǎn)品的再認(rèn)識和不斷創(chuàng)新，不但能滿足用戶需要，還能提供多種數(shù)據(jù)格式，如模具的特殊加工和快速模型制造，因此逆向工程技術(shù)可有效地加快新產(chǎn)品的發(fā)展[2]。

傳統(tǒng)的前向工程技術(shù)是產(chǎn)品設(shè)計，基本步驟是設(shè)計師對相關(guān)產(chǎn)品進行市場調(diào)查，根據(jù)產(chǎn)品特性進行概念設(shè)計，完成效果圖和評估，進行CAD、3D建模、干涉檢驗、虛擬裝配等一系列標(biāo)準(zhǔn)檢驗，確定最終的成品。但傳統(tǒng)的前向工程技術(shù)制造周期長，增加了市場風(fēng)險，故而逆向工程技術(shù)應(yīng)運而生。其基本步驟是設(shè)計師對實際模型進行細致測量，根據(jù)測量得到的具體數(shù)據(jù)，使用 CAD軟件進行三維建模，在實際生產(chǎn)時將其設(shè)計特征融合到一起，其本質(zhì)是對前向工程技術(shù)的不足進行補充完善[3-4]。

逆向工程的設(shè)計方法具有優(yōu)越性，可以有效提升產(chǎn)品的快速生產(chǎn)能力，豐富產(chǎn)品的設(shè)計方法，擴大CAD模型的應(yīng)用領(lǐng)域[5]。

2 逆向工程技術(shù)的設(shè)計流程

2.1 應(yīng)用綜合軟件

目前，CAD集成系統(tǒng)的大部分軟件是以商業(yè)化方式為主，在逆向工程中需要選擇適當(dāng)?shù)能浖韺崿F(xiàn)。應(yīng)用 CAD軟件進行逆向工程的流程是：數(shù)字化點位的輸入和處理，處理對應(yīng)的數(shù)字點位數(shù)據(jù)，輸出有關(guān)資料；構(gòu)建與模型有關(guān)的特性，二次分割曲面面積；基于相關(guān)點云資料建立實體模型；通過云試驗構(gòu)件，生產(chǎn)特定的實體模型；生產(chǎn)和優(yōu)化加工模具。

2.2 獲取三維資料

為了解決機械接觸測量中存在的諸多問題，逆向工程技術(shù)利用激光的超高分辨率，將非接觸式測量技術(shù)應(yīng)用于逆向工程中，以獲得樣品的三維數(shù)據(jù)。

2.3 有關(guān)物體的幾何模型

逆向工程中零件的實體模型是最重要的。事實上，幾何模型是對資料的處理，即獲得基本資料。一個幾何模型的建立要考慮表面和連接處的平滑度，模型和實體的匹配度要合適，利用距離調(diào)整、數(shù)據(jù)密度修正、復(fù)制、數(shù)據(jù)平滑、噪聲消除、保持銳角、復(fù)制等方法獲得一幅圖像的特定形狀。

2.4 數(shù)字化檢測模型

完成零件加工后要對零件進行掃描和測量，利用逆向工程技術(shù)建立 CAD模型，與相應(yīng)的計算機進行對比，消除故障，提高測試的準(zhǔn)確性，具體流程見圖1。

圖1 逆向工程流程圖Fig.1 Flow chart of reverse engineering

3 逆向工程技術(shù)在模具中的應(yīng)用

近年來，逆向工程技術(shù)在模具設(shè)計和生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

3.1 模具成型工藝

為了獲得一個合格的模具，模具形狀要進行多次改進，但這種改進并沒有在最初的 CAD模型上體現(xiàn)出來。CAD模型的重構(gòu)和曲面數(shù)字化功能可以在生產(chǎn)時對模型進行修正和更改，并反復(fù)在生產(chǎn)中使用，從而減少模具生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

3.2 制模

采用逆向工程技術(shù)對實物部件的數(shù)字化點云進行建模，生成特定模型，對其進行加工和分析，從而得出一個適合的、詳細的模具設(shè)計方案。

3.3 沖模技術(shù)

逆向工程技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，與模擬技術(shù)配合，可實現(xiàn)模具產(chǎn)品創(chuàng)新。要將逆向工程技術(shù)與模擬技術(shù)有機結(jié)合起來，對現(xiàn)有的實物模型進行更深層次的理解，融入創(chuàng)意，獲得自主知識產(chǎn)權(quán)，通過不斷的試驗、改進，不斷提高模具設(shè)計水平。

3.4 沖模修理

模具修補是利用材料、激光焊接、熱處理、表面工程、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)來進行的，但由于缺乏科學(xué)的工藝規(guī)范和評價標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致模具修理工藝不完善，嚴(yán)重時會導(dǎo)致模具報廢。逆向工程技術(shù)在模具修補中具有重要作用，可減少模具修復(fù)成本和壓力強度，提高模具使用壽命。采用逆向工程技術(shù)可提高模具維修質(zhì)量和維修效率，實現(xiàn)模具的快速維修。

3.5 逆向工程技術(shù)存在的幾個問題

在產(chǎn)品實際設(shè)計中，一些應(yīng)用軟件存在著限制。機械設(shè)計中，其局限性主要體現(xiàn)在軟件智能化程度低、數(shù)據(jù)處理能力較弱。在逆向工程技術(shù)中，模型的建立大多依賴于手工，這會造成系統(tǒng)集成度不高，精度較低。要想解決這些問題，必須對其進行分析和研究，不斷完善。

4 鋁合金壓鑄甲醇泵殼模具實例

實際生產(chǎn)中，要對現(xiàn)有的物體或模型進行測量、采集，利用計算機軟件對物體進行三維幾何造型，便于進一步優(yōu)化和設(shè)計，流程見圖2。

圖2 基于實物模型的逆向工程模具開發(fā)流程Fig.2 Process of mold development of reverse engineering based on physical model

4.1 點云數(shù)據(jù)的獲取

點云數(shù)據(jù)的收集是逆向設(shè)計中必不可少的環(huán)節(jié)，可以對所有的數(shù)據(jù)進行綜合分析，得到一個實際的模型。云計算可以處理復(fù)雜的模型，點云數(shù)據(jù)的處理分為兩種，包括非接觸測量和接觸式測量，其中非接觸測量數(shù)據(jù)處理方法簡單、適用面廣，如甲醇泵的三維光學(xué)測量儀。接觸式測量比較傳統(tǒng)，精度更高，通常情況下工程師會選擇接觸式測量。VXscan的三維掃描儀的精度可達到0.04 mm，分辨率達到0.05 mm。先噴灑顯影劑，再掃描，得到點云文檔。點云數(shù)據(jù)處理是從云中獲取數(shù)據(jù)，根據(jù)掃描設(shè)備的不同，產(chǎn)生一系列的雜亂數(shù)據(jù)。其可以對空間中的各個點進行分類，形成一個有規(guī)則的點集。由于大量的數(shù)據(jù)會產(chǎn)生錯誤，所以必須由有經(jīng)驗的操作員來消除這些錯誤。

4.2 建模

完成了數(shù)據(jù)收集任務(wù)后就可以開始制作CAD。Geomagic軟件是應(yīng)用非常廣泛的逆向模型軟件，處理工作主要由 GeomagicStudio完成，包括全局注冊、手動注冊、邊界優(yōu)化、噪聲清除、補洞、合并、數(shù)據(jù)簡化和保存。通過對點云數(shù)據(jù)的處理，可以構(gòu)建出大量的曲線表面特征網(wǎng)格，并構(gòu)造出相應(yīng)的模型結(jié)構(gòu)。在Geomagic軟件中，將數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化，使用 NURBS曲面擬合法，可以產(chǎn)生多個封閉的、平滑的表面，利用軟件的優(yōu)化功能，對曲面進行優(yōu)化，為下一步拼接奠定堅實的基礎(chǔ)。進行初縫后，通常還要進行剪切、延長等工序，從而得到一個比較完整的表面模型。存儲文檔時需要使用IGS格式，IGS是UG、PROE等3D類軟件的常用格式，可以防止在不同場景中出現(xiàn)各種代碼，需要將原始數(shù)據(jù)刪除。

4.3 實體模型

利用UGNX開啟曲面檔案，在Geomagic上對未經(jīng)加工的零件進行再加工，利用所獲得的曲面對該零件進行切割，獲得具有外殼外形的模具型腔。

4.4 模具制造

將逆向工程技術(shù)引入到模具設(shè)計中，使模具設(shè)計時間大幅縮短。其對工藝要求很高，但可以節(jié)省大量的人力物力，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益，改善模具品質(zhì)，實現(xiàn)大規(guī)模的模具制造。利用CAD/CAM技術(shù)，實現(xiàn)了模具從設(shè)計到制造的一條龍，利用UGNX的CAM軟件，實現(xiàn)了模具成型，并在UGNX的CAM模塊中實現(xiàn)了產(chǎn)品的NC加工，在UGNX的CAM模塊中實現(xiàn)模具加工。

5 電子香薰設(shè)備的設(shè)計實例

根據(jù)企業(yè)設(shè)計需求，選用電子香薰機、原電子發(fā)熱器、照明元件和內(nèi)部機械設(shè)備，結(jié)合產(chǎn)品外觀造型模具的設(shè)計和制作，采用逆向工程技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，本研究提出了設(shè)計方案：保持原有的主機部件，對其底座外形進行輕微改進；將原有的產(chǎn)品的總體模型分為“頂部、機身、底座”3個部件，將機身設(shè)計成一個獨立的標(biāo)準(zhǔn)部件。新型的電子香熏機自上而下，包括噴霧蓋、機身標(biāo)準(zhǔn)部件、主機、底座。其機身是兩個獨立的標(biāo)準(zhǔn)部件，部件的上下界面設(shè)計完全相同，與噴頭、底座、底座等部件可以集成在一起，方便組裝和拆卸。

5.1 非觸摸立體成像

本系統(tǒng)利用3DSS非接觸式3D掃描器采集樣品的資料。掃描前，對產(chǎn)品模型進行噴漆，以保證3D掃描器對模型表面的變形特性進行充分的識別。當(dāng)顯影劑干燥后，可貼掃描所用的固定點(黑色的小方塊)，根據(jù)產(chǎn)品形狀的起伏程度，考慮到固定點的數(shù)量和位置，方便掃描器進行定位，并將其掃描出來。專業(yè)掃描員根據(jù)事先準(zhǔn)備好的位移掃描步驟，精確操縱掃描器，完成作業(yè)。掃描文檔的容差不得超過0.01 mm，否則將會造成三維資料的掃描錯誤。經(jīng)過專業(yè)的修改，可以產(chǎn)生一個可用的3D點云文件，將其轉(zhuǎn)化為UG軟件可以識別的 stl文檔，供以后的CAD應(yīng)用。

5.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)分析

進行香熏設(shè)備掃描和采集時采用了非接觸式測量，但最大的問題是模型邊緣拐角處出現(xiàn)了斷點。由于加工過程中的仿生形狀復(fù)雜，數(shù)據(jù)中存在著大量掃描噪聲。傳統(tǒng)加工過程中，零件形狀結(jié)構(gòu)過于重復(fù)，增加了掃描和測量的工作量。

5.3 降噪技術(shù)

針對點云數(shù)據(jù)進行了消噪，給出了相應(yīng)的噪點處理算法。對被掃描的產(chǎn)品進行6個視點的對比，利用圖形系統(tǒng)對形體表面有較大偏差的點進行了直觀觀察，并對整個加工過程的模型進行了全面消除。該方法能有效減少模型數(shù)據(jù)重構(gòu)中的錯誤，確保后期的建模質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，采用標(biāo)準(zhǔn)化的光順濾波方法，解決了香熏機械仿生表面的局部誤差問題。該方法是消除局部表面噪聲的一種行之有效的方法，主要利用某一特定區(qū)域的權(quán)重函數(shù)對數(shù)據(jù)進行規(guī)范化。這種濾波器的平均效應(yīng)很小，可以將掃描數(shù)據(jù)與原始模型之間的差異降到最小，同時保證了數(shù)據(jù)表面的形狀更加平滑。藍線連結(jié)點表示原始點云具有粗糙、不光滑的效果，而經(jīng)過規(guī)范化過濾的點云則表現(xiàn)出一種柔和的感覺，而紅色的虛線和連接點則是標(biāo)準(zhǔn)的過濾調(diào)節(jié)點云線，綠色的線條和連接點則是光滑的點云。

5.4 表面分割和調(diào)節(jié)

采用4片相同的花瓣形狀曲面組成了整個機身，并將其分成4個不同的平面，然后進行單獨的數(shù)據(jù)處理，這樣可以減少后期的數(shù)據(jù)修改和建模工作。該方法將分割后的單塊數(shù)據(jù)重新設(shè)計，將其作為一個標(biāo)準(zhǔn)部件，方便以后利用該模型的環(huán)狀陣列組合方法，將4個單獨的標(biāo)準(zhǔn)部件組合在一起，形成一個新的機身模型。

5.5 獨立的標(biāo)準(zhǔn)組件重組

利用 UG軟件的加厚函數(shù)對其進行建模。對于標(biāo)準(zhǔn)部件模型，要進行布爾操作、倒角、平滑組合等功能的編輯，生成標(biāo)準(zhǔn)部件的實體造型，將其轉(zhuǎn)化為Stl格式的文檔，并將其放入UG輔助設(shè)計軟件中。

6 結(jié)語

逆向工程對人的創(chuàng)造力有很高的要求，其核心問題是如何處理云數(shù)據(jù)，需要更好的曲面拼接，這是該技術(shù)的一個難點。該項目具有突破性的逆向思維，為模具的設(shè)計與優(yōu)化提供了便利。