模具設計制造中逆向工程技術的應用

李文蓮

(山東華宇工學院機械工程學院，山東 德州 253034)

模具市場競爭日趨激烈，新產品層出不窮，技術水平不斷提升。模具企業不僅要快速開發產品，還要進行創新設計。逆向工程具有快速、高效、高質量開發新產品的優點，在模具設計與生產中得到了廣泛應用，具有廣闊的發展前景[1]。

1 逆向工程技術

逆向工程主要是對零件的實際生產進行測試，并對相關數據進行處理，具有很高的綜合性，涉及材料學、生產工程學、計量學及現代設計理論。逆向工程技術是一種對新產品的再認識和不斷創新，不但能滿足用戶需要，還能提供多種數據格式，如模具的特殊加工和快速模型制造，因此逆向工程技術可有效地加快新產品的發展[2]。

傳統的前向工程技術是產品設計，基本步驟是設計師對相關產品進行市場調查，根據產品特性進行概念設計，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準檢驗，確定最終的成品。但傳統的前向工程技術制造周期長，增加了市場風險，故而逆向工程技術應運而生。其基本步驟是設計師對實際模型進行細致測量，根據測量得到的具體數據，使用 CAD軟件進行三維建模，在實際生產時將其設計特征融合到一起，其本質是對前向工程技術的不足進行補充完善[3-4]。

逆向工程的設計方法具有優越性，可以有效提升產品的快速生產能力，豐富產品的設計方法，擴大CAD模型的應用領域[5]。

2 逆向工程技術的設計流程

2.1 應用綜合軟件

目前，CAD集成系統的大部分軟件是以商業化方式為主，在逆向工程中需要選擇適當的軟件來實現。應用 CAD軟件進行逆向工程的流程是：數字化點位的輸入和處理，處理對應的數字點位數據，輸出有關資料；構建與模型有關的特性，二次分割曲面面積；基于相關點云資料建立實體模型；通過云試驗構件，生產特定的實體模型；生產和優化加工模具。

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，逆向工程技術利用激光的超高分辨率，將非接觸式測量技術應用于逆向工程中，以獲得樣品的三維數據。

2.3 有關物體的幾何模型

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，利用距離調整、數據密度修正、復制、數據平滑、噪聲消除、保持銳角、復制等方法獲得一幅圖像的特定形狀。

2.4 數字化檢測模型

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

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

3 逆向工程技術在模具中的應用

近年來，逆向工程技術在模具設計和生產中得到了廣泛應用。

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模型上體現出來。CAD模型的重構和曲面數字化功能可以在生產時對模型進行修正和更改，并反復在生產中使用，從而減少模具生產成本，提高生產效率。

3.2 制模

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

3.3 沖模技術

逆向工程技術應用非常廣泛，與模擬技術配合，可實現模具產品創新。要將逆向工程技術與模擬技術有機結合起來，對現有的實物模型進行更深層次的理解，融入創意，獲得自主知識產權，通過不斷的試驗、改進，不斷提高模具設計水平。

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、數據處理等技術來進行的，但由于缺乏科學的工藝規范和評價標準，導致模具修理工藝不完善，嚴重時會導致模具報廢。逆向工程技術在模具修補中具有重要作用，可減少模具修復成本和壓力強度，提高模具使用壽命。采用逆向工程技術可提高模具維修質量和維修效率，實現模具的快速維修。

3.5 逆向工程技術存在的幾個問題

在產品實際設計中，一些應用軟件存在著限制。機械設計中，其局限性主要體現在軟件智能化程度低、數據處理能力較弱。在逆向工程技術中，模型的建立大多依賴于手工，這會造成系統集成度不高，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

實際生產中，要對現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，便于進一步優化和設計，流程見圖2。

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

4.1 點云數據的獲取

點云數據的收集是逆向設計中必不可少的環節，可以對所有的數據進行綜合分析，得到一個實際的模型。云計算可以處理復雜的模型，點云數據的處理分為兩種，包括非接觸測量和接觸式測量，其中非接觸測量數據處理方法簡單、適用面廣，如甲醇泵的三維光學測量儀。接觸式測量比較傳統，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。點云數據處理是從云中獲取數據，根據掃描設備的不同，產生一系列的雜亂數據。其可以對空間中的各個點進行分類，形成一個有規則的點集。由于大量的數據會產生錯誤，所以必須由有經驗的操作員來消除這些錯誤。

4.2 建模

完成了數據收集任務后就可以開始制作CAD。Geomagic軟件是應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、邊界優化、噪聲清除、補洞、合并、數據簡化和保存。通過對點云數據的處理，可以構建出大量的曲線表面特征網格，并構造出相應的模型結構。在Geomagic軟件中，將數據進行網格化，使用 NURBS曲面擬合法，可以產生多個封閉的、平滑的表面，利用軟件的優化功能，對曲面進行優化，為下一步拼接奠定堅實的基礎。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各種代碼，需要將原始數據刪除。

4.3 實體模型

利用UGNX開啟曲面檔案，在Geomagic上對未經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

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

5 電子香薰設備的設計實例

根據企業設計需求，選用電子香薰機、原電子發熱器、照明元件和內部機械設備，結合產品外觀造型模具的設計和制作，采用逆向工程技術。在此基礎上，本研究提出了設計方案：保持原有的主機部件，對其底座外形進行輕微改進；將原有的產品的總體模型分為“頂部、機身、底座”3個部件，將機身設計成一個獨立的標準部件。新型的電子香熏機自上而下，包括噴霧蓋、機身標準部件、主機、底座。其機身是兩個獨立的標準部件，部件的上下界面設計完全相同，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

本系統利用3DSS非接觸式3D掃描器采集樣品的資料。掃描前，對產品模型進行噴漆，以保證3D掃描器對模型表面的變形特性進行充分的識別。當顯影劑干燥后，可貼掃描所用的固定點(黑色的小方塊)，根據產品形狀的起伏程度，考慮到固定點的數量和位置，方便掃描器進行定位，并將其掃描出來。專業掃描員根據事先準備好的位移掃描步驟，精確操縱掃描器，完成作業。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。經過專業的修改，可以產生一個可用的3D點云文件，將其轉化為UG軟件可以識別的 stl文檔，供以后的CAD應用。

5.2 數據采集技術分析

進行香熏設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了斷點。由于加工過程中的仿生形狀復雜，數據中存在著大量掃描噪聲。傳統加工過程中，零件形狀結構過于重復，增加了掃描和測量的工作量。

5.3 降噪技術

針對點云數據進行了消噪，給出了相應的噪點處理算法。對被掃描的產品進行6個視點的對比，利用圖形系統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據重構中的錯誤，確保后期的建模質量。在此基礎上，采用標準化的光順濾波方法，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域的權重函數對數據進行規范化。這種濾波器的平均效應很小，可以將掃描數據與原始模型之間的差異降到最小，同時保證了數據表面的形狀更加平滑。藍線連結點表示原始點云具有粗糙、不光滑的效果，而經過規范化過濾的點云則表現出一種柔和的感覺，而紅色的虛線和連接點則是標準的過濾調節點云線，綠色的線條和連接點則是光滑的點云。

5.4 表面分割和調節

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，然后進行單獨的數據處理，這樣可以減少后期的數據修改和建模工作。該方法將分割后的單塊數據重新設計，將其作為一個標準部件，方便以后利用該模型的環狀陣列組合方法，將4個單獨的標準部件組合在一起，形成一個新的機身模型。

5.5 獨立的標準組件重組

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

6 結語

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