逆向工程在模具中的使用地方

 　　正向设计与逆向设计产品常规设计也称正向设计是从用户需求开始，经过方案设计、详细设计、设计评审到CAM加工，终得到产品；相反的，从已有实物或实物模型开始的设计称为逆向设计或逆向工程，逆向设计通过对实物或实物模型进行3D数字化测量，依据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型（面模型或实体模型），再经过设计评审，CAM加工获得相应产品。正向与逆向产品设计顺序见图1.

　　正向设计是从无到有的过程，逆向设计则是从有到无的过程。逆向设计与正向设计之间存在很大差别，但共同之处是均以CAD/ CAM技术为基础，实现产品数字化设计制造。逆向设计可能比正向设计更具有挑战性，因为如果想做出一个的产品，首先必须尽量理解原有模型的设计思想，在此基础上还可能要修复或克服原有模型上存在的缺陷。

　　产品设计顺序一正向设计与逆向设计逆向工程的应用领域主要是飞机、汽车、玩具和家电等模具相关行业。近年来随着生物、材料技术的发展，逆向工程技术也开始应用在人工生物骨骼、牙齿等医学领域。但其主要的应用领域是在模具行业，模具企业经常需要根据客户提供的样件制造出模具或直接加工出产品。

　　2逆向工程技术图2为实物样件的逆向工程流程图，主要步骤有：实物样件数字化、测量数据处理、CAD模型重建、重建CAD模型评估以及NC加工或快速成形等。

　　图2逆向工程流程图2. 1实物样件的数字化实物样件的数字化测量手段一般采用机械式接触或激光扫描非接触等测量装置来获取实物样件表面点的三维坐标值。

　　机械式三坐标测量机用于实物样件简单型面的测量，得到有序点数据，机械式三坐标测量机重复性好，但测量速度慢、效率低；激光扫描三坐标测量机主要用于实物样件复杂曲面的测量，得到大批量、无序的点云数据。

　　复杂型面重构需要测量大量的数据点，以比较的表达原始实物，选用激光扫描非接触式测量机；简单型面重构只需测量主要型线的少量数据点，可的重构型线、型面，简单型面的测量，选用机械式测量机比较适合，也比较经济。

　　为获得完整、正确的测量数据，测量前需要做好测量规划，测量规划的基本原则有：（1）建立统一的测量坐标系；（2）按照曲面特征分布进行测量区域划分；（3）表面孔域补凸后进行测量；（4）测量复杂曲面三维边界时，测量方向与测点曲面法矢保持一致；（5）根据实际情况选择合理的采样密度；（6）测头半径小于曲面中凹区域的小曲率半径；（7）测量路径规划，选择优化的测量路径，以便测量头能够以尽可能短的路径安全而又高效地遍历待测曲面的检测区域。

　　2. 2数据处理由于测量误差的存在，测量得到的表面数据应进行数据处理，包括异常点去除，测量噪声处理、数据分割等，以精化海量点云数据，压缩不必要的数据点，以减少后期计算量，然后进行曲面重建。

　　2. 2. 1异常点处理测量数据中的异常点通常由于测量设备的标定参数发生改变和测量环境突然变化造成，对人工手动测量，还会由于操作误差如探头接触部位错误使数据失真。因此测量数据的处理首先是从数据点集中找出可能存在的异常点。如果在同一截面的数据扫描中，存在一个点与其相邻的点偏距较大，就可认为这样的点是异常点。在曲面造型中，数据中的异常点对曲线的光顺性影响较大。判断异常点的方法有：直观检查法、曲线检查法、弦高差法。

　　2. 2. 2测量噪声处理测量数据往往带有测量噪声，为消除测量噪声，以得到的模型和好的特征提取效果，需要对测量数据进行数据平滑处理。数据平滑处理方法，应力求保持待求参数所能提供的信息不变。

　　平滑处理方法有：平均法、五点三次平滑法和样条函数法。

　　从测量数据中提取实物样件的几何特征，按测量数据的几何属性对其进行数据分割。产品形面往往由多张曲面混合而成，因此要进行边界检测，提取曲面特征线，据此将形面分成多片曲面分别进行拟合，后再拼接在一起。对于规则数据点，可采用曲率法来检测数据分割区的边界线。

　　对于离散点的数据分割方法主要有基于边（Edge - based）和基于面（Face- based）两种。

　　2. 2. 4多视图拼合对实物样件测量时，往往不能在同一坐标系下一次测完所需数据。其原因一是样件尺寸超过测量机的行程，二是在部分区域测量探头受被测实物几何形状的干涉阻碍以及不能触及样件的反面，这时就需要在不同的定位状态（即在不同的坐标系）下测量样件的各个部分，多次扫描则获得多个独立的点云数据。重建时必须将这些不同坐标系下的多视数据变换或统一到同一个坐标系中，即多视图数据拼合。

　　2. 3 CAD模型重建实物原型CAD模型的重建，将分割后的三维数据在专业逆向工程软件或CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取实物样件表面的曲面模型，进一步获得实物样件的实体模型。

　　分割后三维数据表面模型的拟合要清楚构成实物样件的表面类型以及模型要求的品质，以正确反映实物样件的原设计意图，同时也关系到建模软件或模块的选用。

　　Geomagic、ImageWare等专业逆向工程软件处理大量点云数据效率高，但曲面拟合效果不如U G、Pro/ E软件，而UG、Pro/ E等CAD软件处理大量点云数据则很困难。

　　构成实物样件的表面类型有两类：（1）自由曲面，如汽车、摩托车的外覆盖件，其它冲压件，玩具等，可以采用B样条或NURBS曲面、三角Bezier曲面等构造方法，具有方便调整曲线和曲面的模块；（2）初等解析曲面，如平面、圆柱面、圆锥面等，没必要因为有测量数据而用自由曲面去拟合一张显然是平面或圆柱面的曲面，采用规则曲面构造方法。

　　模型要求的品质：（1）A级曲面，如汽车、摩托车的外覆盖件。

　　A级曲面建模要求软件具有方便的曲面调整手段，强大的曲面检测功能，而且检测结果是动态的，即曲面调整的同时检测结果动态更新；（2）B级曲面，如汽车的内饰件，大部分的塑料件；（3）其他要求更低的曲面。

　　模型要求的品质不同对曲面模型的光顺性要求也不同。

　　2. 4重建CAD模型的评估根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其它试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至达到实物样件的设计要求。

　　另外，在理解原实物样件设计意图的基础上，针对原实物样件存在的缺陷，进行改进设计，对再设计的模型要经过CAE分析或试验验证。

　　后，在重建CAD三维模型的基础上，可后续进行NC数控加工、快速成形或生成零件图纸。

　　3逆向工程技术在模具行业的应用在现代工业生产中，60 90的工业产品需要使用模具，模具工业已经成为工业发展的基础。CAD/ CAM / CAE/ PDM等先进数字化技术在模具行业得到广泛的应用，大大提高了模具行业的技术水平。与CAD/ CAM应用相比，逆向工程技术在模具行业的应用有很大发展空间。逆向工程技术在模具行业的应用有以下几个方面：3. 1上游厂商的实物样件根据客户提供的实物样件制造出模具或直接加工出产品。从上游厂商接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型，但是，也可能面对的并非CAD的模型，而是实实在在的实物样件，通过逆向工程技术与CAD/ CAM系统的结合，为客户提供快速模具制造服务。

　　3. 2定型的试冲模模具制造过程中经常需要反复试冲和修改模具型面，若测量终符合要求的模具并反求出其数字化模型，在重复制造该模具时就可运用这一备用数字化存档模型生成加工程序，当一个模具接近它的失效点时，存档数据被取出，重建模具，老的模具立刻被新的替换，可以大大提高模具生产效率，降低模具制造成本。

　　3. 3损坏或磨损模具的还原在模具运转的生产过程中根本不允许有停机时间，当冲压模具报废的时候，生产制造会被迫停滞。生产企业大多无法承受这样的停滞发生。当模具损坏或磨损，又没有该模具的三维数字化模型时，可直接采用逆向工程的方法重构出CAD模型，对损坏的模具表面进行还原和修补。由于被测模具表面的磨损、损坏等因素，会造成测量误差，这就要求逆向工程系统具有推理和判断能力。

　　如：对称性、标准尺寸、平面间的平行和垂直等特性。后加工出替换模具。

　　3. 4引进模具消化吸收、二次创新对从国外引进的产品及模具技术的消化吸收、二次创新，通过分析引进技术设计意图，结合逆向工程及CAD/ CAM技术，建立数字化模型，进行再设计，克服引进技术的不足，实现引进技术的消化吸收与二次创新。再设计一般要通过CAE分析或制作快速模具样件等手段来评估模具模型，达到要求的模型进一步生成NC刀规，再加工出新模具。

　　图3为对磨损的冲压模具采用逆向工程技术获得新模具的过程。图3（a）为磨损的冲压模具，图3（b）是采用三坐标测量机测量模具的复杂表面的3D测量，图3（c）为重建的模具3D实体模型，图3（d）为经过NC加工得到的新冲压模具，实现磨损模具的替换。

　　4结语逆向工程技术是用实物测量进行快速反求建模，再结合CAD/ CAM、快速成型技术实现实物样件的快速建模与制造，在与模具相关的制造业有重大应用价值。但与CAD/ CAM技术在模具行业的广泛应用相比，逆向工程技术应用还不够完善，缺乏必要的技术指导及适合的软件产品。但逆向工程技术的应用前景已经为工程技术人员所关注，将为提高我国模具制造行业的整体技术含逆向工程重建磨损冲压模具过程量，进而提高产品的市场竞争力的起到重要推动作用。

来源：中国模具网

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