逆向工程技术及其在模具设计制造中的应用

1 引言
    逆向工程技术作为消化吸收先进技术和缩短产品设计开发周期的重要支撑技术，是目前制造业关注的热点。它主要是将原始物理模型转化为工程设计概念或设计模型，一方面为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供充足的信息，另一方面为充分利用先进的CAD/CAE/CAM技术对已有的物件进行再创新服务。实施逆向工程可以充分发挥先进测量设备的优越性，使其既可以作为CAD/CAM系统所需要的三维输入装置，又可以作为CAD/CAM系统处理后的误差检测评估装置，从而提高工业产品的设计、制造自动化程度，缩短产品的开发周期，降低生产成本。
    模具设计制造是逆向工程的主要应用之一，它对于提高模具工业产品的设计与制造水平，缩短产品的开发时间，提高产品市场竞争能力具有重要的理论意义和应用价值。在对逆向工程技术进行分析论述的基础上，对其在模具设计制造中的应用研究进行了总结，指出了该技术在模具行业中具有的广泛应用前景。
2 逆向工程技术
2.1 数据采集方法
    高效、准确地实现样件表面的数字化，是实现逆向工程的基础和关键技术之一。目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不相同，如图1所示。测量方法的选用是逆向工程中一个非常重要的问题。不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，还造成了测量数据类型及后续处理方式的不同。根据测量探头是否和零件表面接触，逆向工程中物体表面数字化三维数据的采集方法基本上可以分为接触式(Contact)和非接触式(Non-Contact)两种。

图1 反求工程数据获取方法

    接触式包括基于力-变形原理的触发式和连续式数据采集；而非接触式主要有激光三角测量法、激光测距法、光干涉法，结构光法、图像分析法等回。这些方法都有各自的特点和应用范围，具体选用何种测量方法应根据被测物体的形体特征和应用目的来决定。在接触式测量中，三坐标测量机(CMM)是应用最为广泛的一种测量设备；而在非接触式测量方法中，结构光法是被认为是目前最成熟的三维形状测量方法，在工业界广泛应用，如德国GOM公司研发的ATOS测量系统及Steinbicher公司的COMET测量系统都是这种方法的典型代表。为结合接触式在测量精度与非接触式在测量速度以及范围方面的优势，基于接触与非接触方法集成的数字化方法也格外受到学者们的重视。
2.2 数字化建模系统
    伴随着逆向工程及其相关技术理论研究的深入及其成果的商业应用，大量的商业化专用逆向工程CAD建模系统日益涌现。当前，市场上提供了逆向建模功能的系统达数十种之多，较具有代表性的EDS公司的Imageware、Raindrop公司的Geomagic、PTC公司的ICEM Surf、DELCAM公司的CopyCAD以及国内浙大的Re-soft等。依据典型的商用逆向工程CAD建模系统在曲面模型重建方面的特点不同，可以大致可以分为两类：传统曲面造型方式(classical surfacing)和快速曲面造型方式(Rapid surfacing)，如图2所示。

图2 数字化建模的基本流程

(a)基于特征曲线的曲面重建

(b)基于曲在片直接拟合的曲面重建
图3 传统曲面造型方式建模

    传统曲面造型方式主要表现为由点-线-面的经典逆向建模流程，它藉由使用NURBS曲面直接由曲线或测量点来创建曲面，其代表有Imageware，ICEM Surf和copy CAD等。该方式下提供了两种基本建模思路：(1)是由点直接到曲面的建模方法，这种方法是在对点云进行区域分割后，直接应用参数曲面片对各个特征点云进行拟合以获得相应特征的曲面基元，进而对各曲面基元进行处理获得目标重建曲面，如图3(a)所示；(2)是由点到曲线再到曲面的建模方法，这种方法是在用户根据经验构建的特征曲线的基础实现曲面造型，而后通过相应的处理以获得目标重建曲面的—个建模过程，如图3(b)所示。

   传统曲面造型延续了传统正向CAD曲面造型的方法，并在点云处理与特征区域分割、特征线的提取与拟合及特征曲面片的创建方面提供了功能多样化的方法，配合建模人员的经验，容易实现高质量的曲面重建，但是进行曲面重建需要大量建模时间的投入和熟练建模人员的参与；并且，由于基于NURBS曲面建模技术在曲面模型几何特征的识别、重建曲面的光顺性和精确度的平衡把握上，对建模人员的建模经验提出了很高的要求。
    快速曲面造型方式是通过对点云的网格化处理、建立多面体化表面来实现的，其代表有Geomagic和Re-soft等。—个完整的网格化处理过程通常包括以下步骤：首先，从点云中重建出三角网格曲面；再对这个三角网格曲面分片，得到一系列有四条边界的子网格曲面；然后，对这些子网格逐一参数化；最后。用NURBS曲面片拟合每一片子网格曲面，得到保持一定连续性的曲面样条，由此得到用NURBS曲面表示的CAD模型，可以用CAD软件进行后继处理。如图4所示，Geomagic的“三段法”便是快速曲面造型曲面重建的—个典型说明。快速曲面造型方式的曲面重建方法简单、直观、适于快速计算和实时显示的领域，顺应了当前许多CAD造型系统和快速原型制造系统模型多边形表示的需要，已成为目前应用广泛的一类方法。然而，该类方法同时也存在计算量大、对计算机硬件设置要求高，曲面对点云的快速适配需要使用高阶NURBS曲面等不足；而且面片之间难以实现曲率连续，难以实现高级曲面的创建。

图4 快速曲面重建的“三阶段法”

    目前，虽然商用的逆向工程软件类型很多，但是在实际设计中，专门的逆向工程设计软件还存在着较大的局限性，在机械设计领域中，集中表现为软件智能化低；建模过程主要依靠人工干预，设计精度不够高；集成化程度低等问题。在具体工程设计中，—般采用几种软件配套使用、取长补短的方式。为此，在实际建模过程中，建模人员往往采用“正向+逆向”的建模模式，即：在正向CAD软件的基础上，配备专用的逆向造型软件，如Imageware、Geomagic等。在逆向软件中先构建出模型的特征线，而后把这些线导入到正向CAD系统中，由正向CAD系统来完成曲面的重建。
3 逆向工程技术模具设计制造应用
    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四。由于模具的生产方式和模具几何形状的特点，逆向工程技术在模具的设计制造中得到了广泛的应用。综合国内的研究现状，逆向工程技术在模具设计制造中的应用主要包含以下几个方面：
3.1 根据实物样件制造模具
    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模型，而是实实在在的实物样件，这就需要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设计服务。首先依据零件实物的数字化点云，用逆向工程软件构造其数模，并生成实体模型，再通过对该数模进行相应的工艺分析与处理，给出合理的模具设计方案，完成基于三维CAD的模具总体设计和结构设计。
3.2 模具的修改定型
    在模具制造行业中，经常需要通过反复修改原始设计的模具型面，以得到符合要求的模具。然而这些几何外形的改变，却往往并未反映在原始的CAD模型上。借助于逆向工程的表面数字化和CAD模型重建功能，设计者可以建立或修改制造过程中变更过的设计模型。在重复制造该模具时就可运用这一备用数字模型生成加工程序，可以大大提高模具生产效率，降低模具制造成本。
3.3 以样本模具为对象的消化吸收
    对引进模具消化吸收、二次创新，通过分析引进技术设计意图，结合逆向工程技术，建立其数字化模型，进行再设计，可以实现引进技术的消化吸收与二次创新。再设计—般首先对引进模具进行三维扫描，应用逆向工程软件把样件模具逆向生成CAD模型，导入CAE中进行计算机仿真模拟，判断成形结果是否符合实际情况。通过两者的结合，反复试验，修改、优化模具以达到消除缺陷乃至模具创新的目的。
    使用逆向工程技术和仿真模拟技术进行模具设计创新，是把现代化手段应用于技术创新中，满足国家长远发展要求。通过对逆向工程和仿真模拟技术在模具设计中的完美结合，在充分理解原始模具的基础上加入自身的设计，从而拥有了独立的知识产权。使用逆向工程技术进行模具创新，能充分实现继承和创新相结合的思想，以前人的创新作为基础，再提高一步创新出更高水平的新产品，这是我国提高模具工业自主创新能力的必由之路。
3.4 损坏或磨损模具的还原
    对于汽车模具，尤其是大型覆盖件模具是汽车生产的关键性工艺装备，由于其结构尺寸大，模具型面形状复杂，尺寸精度和表面质量要求高，使得模具制造周期长，成本高，而一旦磨损或损坏，将造成极大的损失，因此其修复技术日益受到重视。模具修复就是利用材料、热处理、激光焊接或刷焊、数控加工和表面工程等技术实现模具的物理修复。但由于缺少科学有效的指导方法和评价标准，使得模具修复成本高，周期长，质量差，甚至造成被修模具报废。
    基于逆向工程技术的磨损模具建模方法可以通过对磨损区域表面特征的识别与恢复功能，建立完整的模具CAD模型，然后基于恢复的CAD模型，应用有限元方法进行冲压成形模拟和分析计算，对修复的CAD模型的质量进行评价及修改，这将极大地减少模具修复的成本和强度，提高模具的使用寿命。目前，逆向工程和有限元分析技术在模具开发中已经发挥着重要作用，将这两项技术应用于模具修复，可为模具修复带来更加科学有效的方法，从而提高模具修复的质量和效率，达到快速修复模具的目的。
3.5 回弹检测与质量控制
    回弹是薄板冲压成型过程中不可避免的物理现象，与模具几何形状、材料特性、摩擦接触等诸多因素密切相关。目前广泛采用的方法是用CAE技术通过迭代计算获得模具最终的补偿型面，但由于仿真技术还无法准确计算冲压件的回弹，因此通过这种方式获得的模具补偿型面很难保证其准确性。
    通过逆向工程技术为研究解决模具设计制造中的回弹检测与质量控制提供了新的思路，即首先通过逆向工程技术建立实际冲压件的数字模型，将该数字模型和原始CAD模型进行比较从而实现三维冲压件回弹的精确评测，避开了仿真方法无法准确计算回弹的问题，从而可以为模具的修整提供正确的指导。而且获得实际冲压件的数字化模型后，可以将其和有限元方法计算的回弹仿真结果进行比较，获得回弹仿真计算的误差，并以该误差建立回弹仿真误差补偿模型。
4 结论
    逆向工程技术是基于实物测量进行反求建模，再结合CAD/CAE/CAM技术实现实物样件的快速建模、分析与制造，其应用前景已经为工程技术人员所关注，在模具行业中体现出了重要的应用价值。但与CAD/CAE/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专用软件产品，逆向工程技术在模具行业的应用还具有很大的发展空间。可以肯定，随着我国制造业的不断发展与逆向工程技术的进一步完善，逆向工程技术将会在模具设计制造中得到更加广泛的应用。

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