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掃描的點云數字模型，重新建模設計凹模零件，形象直觀地解決了已經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。

【關鍵詞】Geomagic? 凹模? 逆向工程? 掃描? 修復

在模具生產企業中，經過長期沖壓加工，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和Geomagic Design X軟件對發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構，減少了已經損壞凹模零件重新設計時間，有效提高模具設計的經濟效益，快速高效重構凹模三維模型。

1、三維模型數據采集

點云數據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掃描儀采集凹模數據，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，不利于數據采集，表面需要噴涂顯像劑;2）在掃描件的表面黏貼適當數量標定點;3）對凹模進行特征數據采集，獲得其表面點云數據。掃描獲得點云數字圖形如圖1所示。

2、點云數據分析與后處理

在掃描三維模型時，由于受到掃描技術等多種因素影響，故所采集的點云數據存在空洞、雜點等缺陷，運用采集點云數據進行優化處理，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據以“.asc”的格式導入逆向建模軟件Geomagic Wrap中，對導入的點云數據進行設置，比例為 “100%”，單位為“毫米”，運用該軟件的點云數據處理方法，分別對已經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，優化點云數字模型，并進行封裝，最終獲得由三角面片組成的三維數字模型，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格醫生、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字模型。

3.1 沖壓凹模預處理

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

1）領域組。在重構三維模型的過程中，需要提取產品表面特征，由于凹模零件結構不太復雜，可以采用“領域組”命令中自動分割的方法來劃分領域，并對劃分不合理領域進行手動分割和合并，直至獲得合理領域劃分。

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”會出現太多的數字模型信息，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字模型的上表面領域，并對凹模實體數字模型倒圓角，獲得凹模三維數字實體模型。

4）凹模數字模型。獲得凹模三維實體數字模型后，需要關閉面片、領域和參考平面，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、重新構建模型質量分析（偏差檢查）

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

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據完整性帶來較大影響，根據企業對凹模零件質量實際需求，設定逆向設計三維模型與原始產品數據模型上下尺寸偏差為0.1mm，通過彩色圖形進行偏差檢查，所創建三維模型與三角面片偏差在許用范圍之內，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性和環境寫像，觀察凹模數字模型表面的連續性和光順性來分析評估三維數字模型質量。由環境寫像和連續性分析圖（如圖7所示）可知，重新建模的凹模數字模型表面光順，滿足凹模零件表面質量設計要求。

5、結語

本研究基于逆向工程中缺損凹模零件重新建立數字模型的方法，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。

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作者簡介：陳森林（1976-），男，安徽合肥人，合肥職業技術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。