劉衛(wèi)東

摘 要：隨著市場(chǎng)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(lèi)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(lái)越快。逆向工程技術(shù)以快速、高效和精確的優(yōu)勢(shì)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(kāi)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(kāi)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(chē)外觀(guān)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(duì)實(shí)物的外形或內(nèi)腔進(jìn)行掃描或測(cè)量，獲得實(shí)物的形狀數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的處理，對(duì)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(guò)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(cè)量法。非接觸測(cè)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(duì)象的數(shù)據(jù)采集。根據(jù)測(cè)量原理的不同，非接觸式測(cè)量法有光學(xué)測(cè)量法、超聲波測(cè)量法和電磁測(cè)量法等，目前用非接觸測(cè)量法采集數(shù)據(jù)較成熟的技術(shù)是光學(xué)測(cè)量法，如激光掃描法、莫爾條紋法等。

2.接觸式測(cè)量法。接觸式測(cè)量法是用一定形狀的探頭機(jī)械接觸實(shí)物的表面，通過(guò)儀器對(duì)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(cè)量法采集數(shù)據(jù)最常用的設(shè)備是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是集機(jī)、電、算于一體的機(jī)械接觸式精密測(cè)量設(shè)備。

3.逐層掃描法。逐層掃描法是一種新興的測(cè)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(duì)零件或三維模型實(shí)物的內(nèi)外面同時(shí)進(jìn)行測(cè)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(duì)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(guān)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(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、測(cè)頭半徑補(bǔ)償、噪聲濾除、修補(bǔ)、對(duì)齊、歸并及平滑等處理和模型曲線(xiàn)、曲面創(chuàng)建，形成點(diǎn)云模型。

（三）模型重建

將處理過(guò)的測(cè)量點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD模型建模軟件系統(tǒng)，對(duì)前面創(chuàng)建的點(diǎn)云實(shí)物表面曲線(xiàn)、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(duì)實(shí)體模型進(jìn)行二次優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)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(lèi)更新、改型加快的特點(diǎn)，促使模具的更新也越來(lái)越快。對(duì)精密、復(fù)雜、大型、長(zhǎng)壽命模具的需求越來(lái)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(guó)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(xiàn)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(kāi)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(tái)。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(cè)等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)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(guò)程與傳統(tǒng)的復(fù)制步驟是一樣的，即在對(duì)實(shí)物測(cè)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(guò)程如下圖所示：

在模具設(shè)計(jì)與制造過(guò)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(zhuān)門(mén)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(duì)曲面進(jìn)行實(shí)體化。對(duì)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(wèn)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(guò)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(cè)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(duì)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(duì)于復(fù)雜型面，用一張曲面簡(jiǎn)單來(lái)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(guò)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(cè)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(xiàn)，把流程中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)孤立軟件結(jié)合起來(lái)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(jìng)爭(zhēng)力的提升。

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