逆向工程技術在模具產品開發中的應用

王志偉

（揚州市職業大學機械工程學院，江蘇 揚州 225009）

逆向工程（Reverse Engineering簡稱RE），又稱反求工程或逆向設計，是將已有產品模型（實物模型）轉化為工程設計模型和概念模型，并在此基礎上進行工程分析和再創新設計的一種方法和應用技術，可有效提高產品的技術水平，縮短設計周期，增強產品競爭力，是消化、吸收先進技術，創新和開發各種新產品的重要手段。現代制造業是國民經濟發展的支柱，其生產過程會應用到逆向工程技術。特別是在模具的設計生產制造中，逆向工程體現出的優勢更加明顯，對提高模具行業整體發展具有重要作用。

1 逆向工程技術簡介

逆向工程是對產品設計過程或方法再現的一種技術，通過逆向分析和研究目標產品，得到該產品包括組織構成、功能特性在內設計要素，從而制造出功能類似且有一定創意的產品。逆向工程最早應用于軍事和商業領域，其主要目的是在不能輕易獲得必要的生產信息的情況下，直接從成品分析推導出產品的設計原理。

目前在汽車、飛機、船舶、模具等重要工業領域逆向工程都有著廣泛的應用，尤其體現在一些具有復雜表面結構的零部件設計加工過程中。例如汽車外殼、發動機葉片、輪船或潛艇螺旋槳、柴油機進氣排氣管道等。此外，針對只有產品原型或實物模型，而缺少或沒有產品說明圖紙進行需要重新設計和制造時，逆向工程有著特別的價值。

2 逆向工程工藝流程

逆向工程通常是對某一實物樣件或模型（稱為零件原型）進行仿制。目前，針對已有樣件（尤其是包含有復雜不規則自由曲面的樣件），可利用三維數字化測量儀器準確、快速地測量出產品外形數據，在逆向軟件中構建曲面模型，再輸入CAD/CAM系統進一步編輯、修改，由CAM生成刀具NC代碼（加工路徑）送至數控機床（CNC）制作所需模具，或者由快速成型機（RP）將樣品模型制作出來，其流程如圖1所示。

圖1 逆向工程工藝流程圖

3 逆向工程系統組成及關鍵技術

3.1 逆向工程系統組成

逆向工程需要使用精密的測量系統來測量樣件輪廓三維尺寸，再對取得的各點數據作曲面重建、分析及加工成型。逆向工程系統主要由三部分組成：產品實物幾何外形的數字化、CAD模型重建和產品(或模具)制造。

3.2 逆向工程關鍵技術

（1）數字化測量技術。利用逆向工程處理的產品，在結構特征和尺寸表達上一般具有難以掌握的特點，例如深窄孔槽結構，復雜曲面外形等。因此，逆向工程首先要選擇合適的測量方式，得到所需要的數據，才能展開后續模型的構建。數據的測量質量直接影響最終模型的質量。逆向工程測量方式具體分為兩大類：接觸式測量與非接觸式測量，如圖2所示。

圖2 逆向工程常用測量方法

（2）數據預處理技術。產品結構特征數據一般是由坐標測量機采集得到，但無論是何種測量方式，接觸式（如數控測量機）或是非接觸式（如激光掃描儀），都會不可避免的產生誤差數據，尤其是在產品尖點、棱邊、突變處所測的數據，過大的誤差會導致相關點或曲面產生變形，偏離產品原有特征。因此，在模型構建之前必須進行數據預處理，將異點、壞點剔除并精簡數據。

（3）CAD三維重構技術。在逆向工程中，原有實物的三維CAD模型重建是整個過程最關鍵、最復雜的一個環節。這是因為，后續的產品加工制造、快速原型制造、虛擬制造仿真、工程分析和產品的再設計等應用都需要CAD數學模型的支持，這些應用都不同程度地要求重建的CAD模型能準確地還原實物樣件。

（4）模型質量評價技術。逆向工程是依據產品的實物模型經重新構建得到產品的CAD三維模型。該CAD模型不僅可以對原有產品進行重新仿制，通過結合優化設計、結構分析等技術，還能實現原有產品的改進和創新，但都存在一個共同問題，所構建的CAD模型能否還原產品實物，或還原誤差多大是可接受的范圍，必須要有相對應的模型精度評價標準。其主要解決問題包括：①逆向工程所構建模型與實物模型的誤差程度。②所構建模型是否在可接受的范圍內。③制造加工出的產品是否與構建模型特征相吻合。

4 逆向工程與模具產品開發

4.1 模具設計

在模具新產品開發設計過程中，大部分提供模具產品的信息都不是CAD數字模型，甚至實物樣件的圖紙都沒有。模具設計師面對這樣情況，首先要做的就是通過三維數據測量儀器將實物模型重新構建出來，轉化為CAD模型，在此基礎上再對模具進行設計和制造，如分型面、澆口位置、收縮系數的確定等。新測量技術的應用，對外觀復雜或結構精細的零件都能很好的還原，為新模具設計開發節約了大量的時間。

4.2 模具制造

在模具的試模與修整過程中若不合適，可能起到牽一發動全身的效果。關系到模具的重新再設計，從而產生一系列大量數據的處理。逆向工程減少了這方面的麻煩，通過對物體表面數據的采集與再創新，減少再設計步驟，優化產品設計。

4.3 模具修復

傳統模具設計都是利用機械加工設備對原有模型進行等比例制作，無法建立和保存設計加工過程中的數字信息，出現問題時只能手工修復，對后期檢測、維護帶來極大的困難。隨著逆向工程在模具行業的應用，提高了模具的可修復性和重新設計開發的能力，如圖3所示。當模具設計制作得到的產品存在不滿意的地方時，利用逆向工程技術，對以往復雜的修復工序變得很容易進行，同時保證了修復的質量，減少了設計人員的額外工作。

4.4 模具檢測

很多模具生產企業利用三維掃描儀器和評價軟件，可以在模具產品成型階段進行形狀預評估，將生成的CAD數據轉化為顏色誤差編碼圖如圖4，通過比較分析，檢測出產品可能存在的缺陷，在前期階段反饋到模具設計中，提高了模具開發效率。

圖3 破損模具快速修補

圖4 模具修復后的檢測

5 結語

逆向工程技術改變了傳統的模具產品設計開發模式，通過結合CAD/CAM和快速成型等技術，不僅能夠縮短整個產品的設計制造周期，更重要的是在產品精度、產品質量方面，得到很大的提高，對推動模具及其相關行業的發展具有重要意義。本文簡介了逆向工程技術的發展過程，闡述了其工藝流程、系統組成和關鍵技術，從模具設計、模具制造、模具修復和模具檢測四個方面重點分析了逆向工程技術在模具產品開發中的具體應用。