逆向工程技術(shù)在模具產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

王志偉

（揚州市職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009）

逆向工程（Reverse Engineering簡稱RE），又稱反求工程或逆向設(shè)計，是將已有產(chǎn)品模型（實物模型）轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計模型和概念模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工程分析和再創(chuàng)新設(shè)計的一種方法和應(yīng)用技術(shù)，可有效提高產(chǎn)品的技術(shù)水平，縮短設(shè)計周期，增強(qiáng)產(chǎn)品競爭力，是消化、吸收先進(jìn)技術(shù)，創(chuàng)新和開發(fā)各種新產(chǎn)品的重要手段。現(xiàn)代制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱，其生產(chǎn)過程會應(yīng)用到逆向工程技術(shù)。特別是在模具的設(shè)計生產(chǎn)制造中，逆向工程體現(xiàn)出的優(yōu)勢更加明顯，對提高模具行業(yè)整體發(fā)展具有重要作用。

1 逆向工程技術(shù)簡介

逆向工程是對產(chǎn)品設(shè)計過程或方法再現(xiàn)的一種技術(shù)，通過逆向分析和研究目標(biāo)產(chǎn)品，得到該產(chǎn)品包括組織構(gòu)成、功能特性在內(nèi)設(shè)計要素，從而制造出功能類似且有一定創(chuàng)意的產(chǎn)品。逆向工程最早應(yīng)用于軍事和商業(yè)領(lǐng)域，其主要目的是在不能輕易獲得必要的生產(chǎn)信息的情況下，直接從成品分析推導(dǎo)出產(chǎn)品的設(shè)計原理。

目前在汽車、飛機(jī)、船舶、模具等重要工業(yè)領(lǐng)域逆向工程都有著廣泛的應(yīng)用，尤其體現(xiàn)在一些具有復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)的零部件設(shè)計加工過程中。例如汽車外殼、發(fā)動機(jī)葉片、輪船或潛艇螺旋槳、柴油機(jī)進(jìn)氣排氣管道等。此外，針對只有產(chǎn)品原型或?qū)嵨锬Ｐ停鄙倩驔]有產(chǎn)品說明圖紙進(jìn)行需要重新設(shè)計和制造時，逆向工程有著特別的價值。

2 逆向工程工藝流程

逆向工程通常是對某一實物樣件或模型（稱為零件原型）進(jìn)行仿制。目前，針對已有樣件（尤其是包含有復(fù)雜不規(guī)則自由曲面的樣件），可利用三維數(shù)字化測量儀器準(zhǔn)確、快速地測量出產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)，在逆向軟件中構(gòu)建曲面模型，再輸入CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)一步編輯、修改，由CAM生成刀具NC代碼（加工路徑）送至數(shù)控機(jī)床（CNC）制作所需模具，或者由快速成型機(jī)（RP）將樣品模型制作出來，其流程如圖1所示。

圖1 逆向工程工藝流程圖

3 逆向工程系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 逆向工程系統(tǒng)組成

逆向工程需要使用精密的測量系統(tǒng)來測量樣件輪廓三維尺寸，再對取得的各點數(shù)據(jù)作曲面重建、分析及加工成型。逆向工程系統(tǒng)主要由三部分組成：產(chǎn)品實物幾何外形的數(shù)字化、CAD模型重建和產(chǎn)品(或模具)制造。

3.2 逆向工程關(guān)鍵技術(shù)

（1）數(shù)字化測量技術(shù)。利用逆向工程處理的產(chǎn)品，在結(jié)構(gòu)特征和尺寸表達(dá)上一般具有難以掌握的特點，例如深窄孔槽結(jié)構(gòu)，復(fù)雜曲面外形等。因此，逆向工程首先要選擇合適的測量方式，得到所需要的數(shù)據(jù)，才能展開后續(xù)模型的構(gòu)建。數(shù)據(jù)的測量質(zhì)量直接影響最終模型的質(zhì)量。逆向工程測量方式具體分為兩大類：接觸式測量與非接觸式測量，如圖2所示。

圖2 逆向工程常用測量方法

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)一般是由坐標(biāo)測量機(jī)采集得到，但無論是何種測量方式，接觸式（如數(shù)控測量機(jī)）或是非接觸式（如激光掃描儀），都會不可避免的產(chǎn)生誤差數(shù)據(jù)，尤其是在產(chǎn)品尖點、棱邊、突變處所測的數(shù)據(jù)，過大的誤差會導(dǎo)致相關(guān)點或曲面產(chǎn)生變形，偏離產(chǎn)品原有特征。因此，在模型構(gòu)建之前必須進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，將異點、壞點剔除并精簡數(shù)據(jù)。

（3）CAD三維重構(gòu)技術(shù)。在逆向工程中，原有實物的三維CAD模型重建是整個過程最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一個環(huán)節(jié)。這是因為，后續(xù)的產(chǎn)品加工制造、快速原型制造、虛擬制造仿真、工程分析和產(chǎn)品的再設(shè)計等應(yīng)用都需要CAD數(shù)學(xué)模型的支持，這些應(yīng)用都不同程度地要求重建的CAD模型能準(zhǔn)確地還原實物樣件。

（4）模型質(zhì)量評價技術(shù)。逆向工程是依據(jù)產(chǎn)品的實物模型經(jīng)重新構(gòu)建得到產(chǎn)品的CAD三維模型。該CAD模型不僅可以對原有產(chǎn)品進(jìn)行重新仿制，通過結(jié)合優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析等技術(shù)，還能實現(xiàn)原有產(chǎn)品的改進(jìn)和創(chuàng)新，但都存在一個共同問題，所構(gòu)建的CAD模型能否還原產(chǎn)品實物，或還原誤差多大是可接受的范圍，必須要有相對應(yīng)的模型精度評價標(biāo)準(zhǔn)。其主要解決問題包括：①逆向工程所構(gòu)建模型與實物模型的誤差程度。②所構(gòu)建模型是否在可接受的范圍內(nèi)。③制造加工出的產(chǎn)品是否與構(gòu)建模型特征相吻合。

4 逆向工程與模具產(chǎn)品開發(fā)

4.1 模具設(shè)計

在模具新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計過程中，大部分提供模具產(chǎn)品的信息都不是CAD數(shù)字模型，甚至實物樣件的圖紙都沒有。模具設(shè)計師面對這樣情況，首先要做的就是通過三維數(shù)據(jù)測量儀器將實物模型重新構(gòu)建出來，轉(zhuǎn)化為CAD模型，在此基礎(chǔ)上再對模具進(jìn)行設(shè)計和制造，如分型面、澆口位置、收縮系數(shù)的確定等。新測量技術(shù)的應(yīng)用，對外觀復(fù)雜或結(jié)構(gòu)精細(xì)的零件都能很好的還原，為新模具設(shè)計開發(fā)節(jié)約了大量的時間。

4.2 模具制造

在模具的試模與修整過程中若不合適，可能起到牽一發(fā)動全身的效果。關(guān)系到模具的重新再設(shè)計，從而產(chǎn)生一系列大量數(shù)據(jù)的處理。逆向工程減少了這方面的麻煩，通過對物體表面數(shù)據(jù)的采集與再創(chuàng)新，減少再設(shè)計步驟，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計。

4.3 模具修復(fù)

傳統(tǒng)模具設(shè)計都是利用機(jī)械加工設(shè)備對原有模型進(jìn)行等比例制作，無法建立和保存設(shè)計加工過程中的數(shù)字信息，出現(xiàn)問題時只能手工修復(fù)，對后期檢測、維護(hù)帶來極大的困難。隨著逆向工程在模具行業(yè)的應(yīng)用，提高了模具的可修復(fù)性和重新設(shè)計開發(fā)的能力，如圖3所示。當(dāng)模具設(shè)計制作得到的產(chǎn)品存在不滿意的地方時，利用逆向工程技術(shù)，對以往復(fù)雜的修復(fù)工序變得很容易進(jìn)行，同時保證了修復(fù)的質(zhì)量，減少了設(shè)計人員的額外工作。

4.4 模具檢測

很多模具生產(chǎn)企業(yè)利用三維掃描儀器和評價軟件，可以在模具產(chǎn)品成型階段進(jìn)行形狀預(yù)評估，將生成的CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為顏色誤差編碼圖如圖4，通過比較分析，檢測出產(chǎn)品可能存在的缺陷，在前期階段反饋到模具設(shè)計中，提高了模具開發(fā)效率。

圖3 破損模具快速修補(bǔ)

圖4 模具修復(fù)后的檢測

5 結(jié)語

逆向工程技術(shù)改變了傳統(tǒng)的模具產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)模式，通過結(jié)合CAD/CAM和快速成型等技術(shù)，不僅能夠縮短整個產(chǎn)品的設(shè)計制造周期，更重要的是在產(chǎn)品精度、產(chǎn)品質(zhì)量方面，得到很大的提高，對推動模具及其相關(guān)行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本文簡介了逆向工程技術(shù)的發(fā)展過程，闡述了其工藝流程、系統(tǒng)組成和關(guān)鍵技術(shù)，從模具設(shè)計、模具制造、模具修復(fù)和模具檢測四個方面重點分析了逆向工程技術(shù)在模具產(chǎn)品開發(fā)中的具體應(yīng)用。