模具设计制造中逆向工程技术的应用

2022-07-08李文莲

黑龙江科学 2022年12期

李文莲

(山东华宇工学院机械工程学院，山东德州 253034)

模具市场竞争日趋激烈，新产品层出不穷，技术水平不断提升。模具企业不仅要快速开发产品，还要进行创新设计。逆向工程具有快速、高效、高质量开发新产品的优点，在模具设计与生产中得到了广泛应用，具有广阔的发展前景[1]。

1 逆向工程技术

逆向工程主要是对零件的实际生产进行测试，并对相关数据进行处理，具有很高的综合性，涉及材料学、生产工程学、计量学及现代设计理论。逆向工程技术是一种对新产品的再认识和不断创新，不但能满足用户需要，还能提供多种数据格式，如模具的特殊加工和快速模型制造，因此逆向工程技术可有效地加快新产品的发展[2]。

传统的前向工程技术是产品设计，基本步骤是设计师对相关产品进行市场调查，根据产品特性进行概念设计，完成效果图和评估，进行CAD、3D建模、干涉检验、虚拟装配等一系列标准检验，确定最终的成品。但传统的前向工程技术制造周期长，增加了市场风险，故而逆向工程技术应运而生。其基本步骤是设计师对实际模型进行细致测量，根据测量得到的具体数据，使用 CAD软件进行三维建模，在实际生产时将其设计特征融合到一起，其本质是对前向工程技术的不足进行补充完善[3-4]。

逆向工程的设计方法具有优越性，可以有效提升产品的快速生产能力，丰富产品的设计方法，扩大CAD模型的应用领域[5]。

2 逆向工程技术的设计流程

2.1 应用综合软件

目前，CAD集成系统的大部分软件是以商业化方式为主，在逆向工程中需要选择适当的软件来实现。应用 CAD软件进行逆向工程的流程是：数字化点位的输入和处理，处理对应的数字点位数据，输出有关资料；构建与模型有关的特性，二次分割曲面面积；基于相关点云资料建立实体模型；通过云试验构件，生产特定的实体模型；生产和优化加工模具。

2.2 获取三维资料

为了解决机械接触测量中存在的诸多问题，逆向工程技术利用激光的超高分辨率，将非接触式测量技术应用于逆向工程中，以获得样品的三维数据。

2.3 有关物体的几何模型

逆向工程中零件的实体模型是最重要的。事实上，几何模型是对资料的处理，即获得基本资料。一个几何模型的建立要考虑表面和连接处的平滑度，模型和实体的匹配度要合适，利用距离调整、数据密度修正、复制、数据平滑、噪声消除、保持锐角、复制等方法获得一幅图像的特定形状。

2.4 数字化检测模型

完成零件加工后要对零件进行扫描和测量，利用逆向工程技术建立 CAD模型，与相应的计算机进行对比，消除故障，提高测试的准确性，具体流程见图1。

图1 逆向工程流程图Fig.1 Flow chart of reverse engineering

3 逆向工程技术在模具中的应用

近年来，逆向工程技术在模具设计和生产中得到了广泛应用。

3.1 模具成型工艺

为了获得一个合格的模具，模具形状要进行多次改进，但这种改进并没有在最初的 CAD模型上体现出来。CAD模型的重构和曲面数字化功能可以在生产时对模型进行修正和更改，并反复在生产中使用，从而减少模具生产成本，提高生产效率。

3.2 制模

采用逆向工程技术对实物部件的数字化点云进行建模，生成特定模型，对其进行加工和分析，从而得出一个适合的、详细的模具设计方案。

3.3 冲模技术

逆向工程技术应用非常广泛，与模拟技术配合，可实现模具产品创新。要将逆向工程技术与模拟技术有机结合起来，对现有的实物模型进行更深层次的理解，融入创意，获得自主知识产权，通过不断的试验、改进，不断提高模具设计水平。

3.4 冲模修理

模具修补是利用材料、激光焊接、热处理、表面工程、数据处理等技术来进行的，但由于缺乏科学的工艺规范和评价标准，导致模具修理工艺不完善，严重时会导致模具报废。逆向工程技术在模具修补中具有重要作用，可减少模具修复成本和压力强度，提高模具使用寿命。采用逆向工程技术可提高模具维修质量和维修效率，实现模具的快速维修。

3.5 逆向工程技术存在的几个问题

在产品实际设计中，一些应用软件存在着限制。机械设计中，其局限性主要体现在软件智能化程度低、数据处理能力较弱。在逆向工程技术中，模型的建立大多依赖于手工，这会造成系统集成度不高，精度较低。要想解决这些问题，必须对其进行分析和研究，不断完善。

4 铝合金压铸甲醇泵壳模具实例

实际生产中，要对现有的物体或模型进行测量、采集，利用计算机软件对物体进行三维几何造型，便于进一步优化和设计，流程见图2。

图2 基于实物模型的逆向工程模具开发流程Fig.2 Process of mold development of reverse engineering based on physical model

4.1 点云数据的获取

点云数据的收集是逆向设计中必不可少的环节，可以对所有的数据进行综合分析，得到一个实际的模型。云计算可以处理复杂的模型，点云数据的处理分为两种，包括非接触测量和接触式测量，其中非接触测量数据处理方法简单、适用面广，如甲醇泵的三维光学测量仪。接触式测量比较传统，精度更高，通常情况下工程师会选择接触式测量。VXscan的三维扫描仪的精度可达到0.04 mm，分辨率达到0.05 mm。先喷洒显影剂，再扫描，得到点云文档。点云数据处理是从云中获取数据，根据扫描设备的不同，产生一系列的杂乱数据。其可以对空间中的各个点进行分类，形成一个有规则的点集。由于大量的数据会产生错误，所以必须由有经验的操作员来消除这些错误。

4.2 建模

完成了数据收集任务后就可以开始制作CAD。Geomagic软件是应用非常广泛的逆向模型软件，处理工作主要由 GeomagicStudio完成，包括全局注册、手动注册、边界优化、噪声清除、补洞、合并、数据简化和保存。通过对点云数据的处理，可以构建出大量的曲线表面特征网格，并构造出相应的模型结构。在Geomagic软件中，将数据进行网格化，使用 NURBS曲面拟合法，可以产生多个封闭的、平滑的表面，利用软件的优化功能，对曲面进行优化，为下一步拼接奠定坚实的基础。进行初缝后，通常还要进行剪切、延长等工序，从而得到一个比较完整的表面模型。存储文档时需要使用IGS格式，IGS是UG、PROE等3D类软件的常用格式，可以防止在不同场景中出现各种代码，需要将原始数据删除。

4.3 实体模型

利用UGNX开启曲面档案，在Geomagic上对未经加工的零件进行再加工，利用所获得的曲面对该零件进行切割，获得具有外壳外形的模具型腔。

4.4 模具制造

将逆向工程技术引入到模具设计中，使模具设计时间大幅缩短。其对工艺要求很高，但可以节省大量的人力物力，为企业带来巨大的经济效益，改善模具品质，实现大规模的模具制造。利用CAD/CAM技术，实现了模具从设计到制造的一条龙，利用UGNX的CAM软件，实现了模具成型，并在UGNX的CAM模块中实现了产品的NC加工，在UGNX的CAM模块中实现模具加工。

5 电子香薰设备的设计实例

根据企业设计需求，选用电子香薰机、原电子发热器、照明元件和内部机械设备，结合产品外观造型模具的设计和制作，采用逆向工程技术。在此基础上，本研究提出了设计方案：保持原有的主机部件，对其底座外形进行轻微改进；将原有的产品的总体模型分为“顶部、机身、底座”3个部件，将机身设计成一个独立的标准部件。新型的电子香熏机自上而下，包括喷雾盖、机身标准部件、主机、底座。其机身是两个独立的标准部件，部件的上下界面设计完全相同，与喷头、底座、底座等部件可以集成在一起，方便组装和拆卸。

5.1 非触摸立体成像

本系统利用3DSS非接触式3D扫描器采集样品的资料。扫描前，对产品模型进行喷漆，以保证3D扫描器对模型表面的变形特性进行充分的识别。当显影剂干燥后，可贴扫描所用的固定点(黑色的小方块)，根据产品形状的起伏程度，考虑到固定点的数量和位置，方便扫描器进行定位，并将其扫描出来。专业扫描员根据事先准备好的位移扫描步骤，精确操纵扫描器，完成作业。扫描文档的容差不得超过0.01 mm，否则将会造成三维资料的扫描错误。经过专业的修改，可以产生一个可用的3D点云文件，将其转化为UG软件可以识别的 stl文档，供以后的CAD应用。

5.2 数据采集技术分析

进行香熏设备扫描和采集时采用了非接触式测量，但最大的问题是模型边缘拐角处出现了断点。由于加工过程中的仿生形状复杂，数据中存在着大量扫描噪声。传统加工过程中，零件形状结构过于重复，增加了扫描和测量的工作量。

5.3 降噪技术

针对点云数据进行了消噪，给出了相应的噪点处理算法。对被扫描的产品进行6个视点的对比，利用图形系统对形体表面有较大偏差的点进行了直观观察，并对整个加工过程的模型进行了全面消除。该方法能有效减少模型数据重构中的错误，确保后期的建模质量。在此基础上，采用标准化的光顺滤波方法，解决了香熏机械仿生表面的局部误差问题。该方法是消除局部表面噪声的一种行之有效的方法，主要利用某一特定区域的权重函数对数据进行规范化。这种滤波器的平均效应很小，可以将扫描数据与原始模型之间的差异降到最小，同时保证了数据表面的形状更加平滑。蓝线连结点表示原始点云具有粗糙、不光滑的效果，而经过规范化过滤的点云则表现出一种柔和的感觉，而红色的虚线和连接点则是标准的过滤调节点云线，绿色的线条和连接点则是光滑的点云。