赵显日

(辽宁石化职业技术学院,辽宁锦州　121001)

基于逆向工程的模具修复技术

赵显日

(辽宁石化职业技术学院,辽宁锦州121001)

模具在制造业中应用日益广泛,使用过程中不可避免地产生磨损或破损。逆向工程提供了模具修复的新途径,本文介绍利用逆向工程技术进行模具修复的方法及其关键技术,以提高模具修复的精度和效率,降低模具成本,延长其使用寿命。

逆向工程模具修复点云数据预处理曲面重构三维实体化

模具在制造业中的应用日益广泛，在其使用过程中不可避免地产生磨损或破损。对于表面磨损严重或有较大破损的模具，尤其是具有复杂曲面的模具，采用逆向工程的技术手段，可以获得较好的修复效果。本文介绍逆向工程技术进行模具修复的方法，并对其中的几个关键技术进行讨论。

1　表面数据采集

基于逆向工程进行模具修复的首要工作是表面数据采集，即分析被测对象的形状、测量部位，再结合所选测量设备的特征参数(如测量范围、测量精度等)制定测量方案。

由于受测量系统的测量范围限制，大型模型需分几次完成型面测量;对于复杂型面要注意投影编码盲点和视觉死区等问题，此时需分区测量;对于模具上较大的磨损面，应选择测速效率高的数字化设备;对于结构形状复杂的表面，应选择可以进行复杂轮廓测量的设备;此外，测量设备的精度应高于后续分析的精度。为了高速、高精度数据采集，可以采用接触式与非接触式相结合的方法进行测量。

对模具破损区域测量后得到点云数量要足够，以保证分析精度要求。

2　点云数据预处理

采用任何测量方式、测量系统所采集到的数据均有误差，因此要进行点云数据预处理。主要包括多视点云拼合、数据滤波、数据精简、数据分块等几个方面。

2.1多视点云拼合

多视点云拼合是将多个视角获得的子区域信息统一到同一坐标系中。其方法主要有两种:通过专用测量装置记录工件测量过程中的移动量和转动角度，由测量软件直接完成点云数据的拼合;直接操作点云数据，以获得完整的数据信息和一致的数据结构;此外还有基于图形的多视对齐等。

多视点云拼合获得的数字化模型应满足磨损型面数据完整，以保证与磨损前模型对齐的精度达到磨损分析的要求。

2.2数据过滤

由于测量时受到不可避免的误差和人为因素的影响，使采集点云并非完全落在实体上，会有大量的杂点(也称坏点)。用肉眼能够识别的杂点可以手工去除，其他可以采用标准高斯滤波法、平均滤波法和中值滤波法等去除，其中高斯滤波法对保持原始数据的形貌有较好的效果，中值滤波在消除数据的毛刺方面效果较好。点云数据经过滤后更平滑和连贯，更贴合实物特征。

2.3数据精简

过滤后的海量点云数据，在不损失模型特征的情况下需要精简，以提高后续的工作效率。方法如下:散乱点云可通过随机采样精简;扫描线点云和多边形点云可采用等间距缩减、倍率缩减、等量缩减、弦偏差等方法精简;网格化点云可采用等分布密度法和最小包围区域缩减。此外还有空穴填补和基于面密度概念的数据简化法等。

2.4数据分块

根据实体外形曲面类型，将不同自取面类型的数据划分为不同类型的数据域。点云分块有基于测量的分割和自动分割两类，其中自动分割法包括基于边和基于面两种。点云数据分块后，经过曲面过渡、相交、剪裁等方法将多个分块的曲面组成一个整体模型，以实现曲面重构。

点云数据预处理后所获得的纯净数据将为后续模型重构奠定基础。

3　曲面重构

曲面重构是逆向工程中最复杂、最关键的环节。曲面重构是将点云数据通过插值或者拟合构建近似实体原型的模型，主要包括曲面拟合和曲面建模两方面的内容。

3.1曲面拟合

曲面拟合前应合理规划几何特征、选择合适的算法和参数;曲面拟合后，应保证区域内的曲面拟合质量以及特征线的曲面连续性。

曲面拟合主要有两种方法。一是由数据点拟合出样条曲线，并对样条曲线进行曲率分析，确定误差是否控制在允许范围内，否则要光顺处理，直至合格;然后利用三维造型软件拟合出曲面。二是直接对测量数据点进行曲面片拟合，再经过对曲面片的过渡、拼接、裁剪等操作完成曲面拟合。此时要注意曲面之间保证曲率连续，对生成的曲面进行误差分析。

3.2曲面建模

曲面建模目前主要是通过人工交互来实现。由于特征线是重构曲面的边界线，因此利用特征线划分点云区域，再以特征线为中心，利用软件的点云数据处理、曲面修剪等功能，重构出完整的曲面模型。

曲面模型的几何特征识别、曲面光顺性与精确性，有赖于建模人员的经验和技巧。

4　三维实体化与区域特征提取

在对上述曲面模型生成实体的过程中，会产生破损小曲面片，此时将所有曲面按特征划分为若干区域，对可能出现破碎片的图层进行检查，清除破损片体，然后再缝合，得到破损模具三维实体模型。

将破损模具实体模型与标准模具模型分析对比，利用三维软件中的求差方法，获得破损区域三维数据模型，提取磨破损区域特征。通过编程软件对破损区域进行轨迹编程，将生成的代码通过机器人运行，在模具磨破损区域完成精确修补(如熔覆专用的金属粉末等)。

5　结语

逆向工程技术提供了新的模具修复的技术手段，对于提高修复精度和效率、降低模具成本、延长模具使用寿命具有重要意义。利用逆向工程技术进行模具修复具有良好的发展前景。

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Mould is w idely used in the manufacturing industry. It inevitably produce wear or damage in use. Reverse engineering provides a new approach of mould repair. This paper introduces the method of using reverse engineering technology and key technologies in mould repair. It can improve the accuracy and efficiency of mould repair, reduce the mould cost and prolong its service life.

reverse engineering;mould repair;point cloud data pre-processing;curved surface reconstruction;3D materialization

赵显日(1966—)，女，朝鲜族，辽宁凤城人，副教授，硕士学位，现从事机械制造方面的教学与研究工作。作者赵显日，主编教材7部，发表论文14篇。