逆向工程技術與模具數字制造技術

劉衛東

摘 要：隨著市場需求變化和科學技術的迅速發展，制造業的產品種類更新加快，質量要求日益提高，促使模具制造技術的發展也要越來越快。逆向工程技術以快速、高效和精確的優勢改變了模具企業傳統的設計生產模式，給模具設計和制造開辟了新的前景，形成了數字化設計與生產的模具數字制造技術，本文就此技術作討論探究。

關鍵詞：逆向工程技術;模具制造;數字化設計

逆向工程作為不同于傳統技術的一種非常高效的產品設計方法，為產品提供先進的開發、設計及制造的技術支撐，可以迅速、精確、方便地獲得實物的三維數據及模型。目前，逆向工程技術在各個領域發揮著重要作用，比如汽車外觀模具設計、文物修復、醫學上的人工器官等。而且它在模具數字制造技術中的應用是模具制造領域中發展最迅速的技術之一，它可以實現模具生產零件的快速反求、快速設計與制造，從而提高模具的設計效率、準確性和縮短模具的設計周期。

一、逆向工程技術

逆向工程技術是利用數據采集設備對實物的外形或內腔進行掃描或測量，獲得實物的形狀數據。經過數據的處理，對產品進行剖析和改進，完成實物產品的優化設計和再制造的技術。逆向工程主要過程為產品實物幾何外形的數字化、CAD模型重建、產品或模具制造，即逆向工程系統主要由數據采集、數據處理和模型的重建三部分組成。

（一）數據采集部分

數據采集是逆向工程系統的第一步。數據采集設備的精度及操作方法的正確性將直接影響實物三維CAD數據獲取的準確性、效率高低、數據完整性等，最終也將影響零件產品的制造質量。因此，數據采集階段是逆向工程中的關鍵技術之一。目前應用于逆向工程的數據采集方法有很多，其中最常用的數據采集方法有以下三種：

1.非接觸式測量法。非接觸測量法是利用光、聲、磁的特性照射或輻射實物表面，以獲取零件或模型實物表面上點的三維數據，完成對象的數據采集。根據測量原理的不同，非接觸式測量法有光學測量法、超聲波測量法和電磁測量法等，目前用非接觸測量法采集數據較成熟的技術是光學測量法，如激光掃描法、莫爾條紋法等。

2.接觸式測量法。接觸式測量法是用一定形狀的探頭機械接觸實物的表面，通過儀器對探頭與實物接觸點的實際空間位置記錄和運算，而獲取零件或模型實物表面上點的三維坐標數據。目前用接觸測量法采集數據最常用的設備是三坐標測量機，三坐標測量機是集機、電、算于一體的機械接觸式精密測量設備。

3.逐層掃描法。逐層掃描法是一種新興的測量技術。逐層掃描法利用光在實物內外表面逐層掃描，而獲得實物表面三維數據。這種掃描法不受實物表面復雜程度的影響，并可實現對零件或三維模型實物的內外面同時進行測量，到達提高掃描的效率和質量的目的。

（二）數據處理

對于用逐層掃描法等數據采集方法獲取實物上的一系列點數據，因受外界工作環境或設備精度等客觀因素的影響，在點云數據中會存在一些不真實的點數據，所以在后續用軟件進行三維CAD模型重構之前，要對數據文件進行格式轉換、測頭半徑補償、噪聲濾除、修補、對齊、歸并及平滑等處理和模型曲線、曲面創建，形成點云模型。

（三）模型重建

將處理過的測量點云模型數據導入CAD模型建模軟件系統，對前面創建的點云實物表面曲線、曲面實體化，構建出零件或模型的CAD模型。根據需要也可以對實體模型進行二次優化設計，以滿足產品個性化設計與制造的需求。

二、模具數字制造技術

當今制造業模具產品具有種類更新、改型加快的特點，促使模具的更新也越來越快。對精密、復雜、大型、長壽命模具的需求越來越迫切，因此在模具生產中一些大型模具企業采用了一些先進加工設備和新的設計與制造工藝。新工藝及新設備的引入，大大改善了模具的加工質量，也提高了模具制造的效率和自動化程度，縮短了生產周期和降低了生產成本。模具數字制造技術主要體現在CAD/CAM技術。CAD為計算機輔助設計，應用在模具零件設計階段，復雜三維模型的獲得需要以前期的逆向數據采集和處理為基礎，以復雜設計軟件為支撐;CAM為計算機輔助制造，主要以數據模具和程序為基礎，利用數控機床或快速制造設備完成模具零件的制造。

三、逆向工程技術與模具數字制造技術的結合應用

目前，模具數字制造技術中的CAD/CAM技術已經在我國的模具制造業有了較大發展，一些正向設計軟件，如Pro/E、UG等CAD設計軟件，還有數控銑床、加工中心、光學曲線磨床等CAM加工設備在模具生產中廣泛采用。逆向工程技術作為一種新型產品逆向設計方法，可以精確、高效地獲得零件產品的數字三維數據和數字模型，為新產品的開發、設計或已有產品的修復與二次設計提供先進的制造技術支撐平臺。雖然逆向工程技術將推動模具數字制造技術的發展，但是在當今實際的模具設計與制造中，逆向工程工具及軟件還缺乏與其它工具及軟件的有效集成，影響到逆向工程技術使用的普及率，導致逆向工程技術實際應用發展上的困難。如果能結合三維激光掃描、數字化建模、3D打印、應用軟件、工藝優化、智能化檢驗檢測等先進技術，對逆向工程技術在快速模具制造中的應用做進一步的研究，必將解決逆向工程技術在快速模具制造中缺乏普及應用的難題，獲得較高的經濟效益和應用價值。

四、逆向工程技術在模具數字制造技術中的優化途徑

以三維激光掃描儀為逆向工程技術中數字化設備的研究工具，以準確地還原較復雜的塑料模具型腔工作零件的原始幾何參數為目的，快速準確地曲面建模。模具逆向工程的具體實施過程與傳統的復制步驟是一樣的，即在對實物測繪并進行再設計后，獲得模具或零件的數學模型，然后進行加工復制。逆向工程的工作過程如下圖所示：

在模具設計與制造過程中，結合Win3DD的單目三維掃描儀軟件、UP BOX+的快速成型軟件、模流分析軟件Moldflow、Pro/E、UG等幾種專門軟件的功能，分別從快速原型技術和數控加工技術等典型制造工藝出發，進行掃描、建模、模擬加工、生成NC程序，對曲面進行實體化。對三維模型進行掃描、建模、模擬加工、生成NC程序，并完成精確的模具零件快速原型和數控加工。分析比較得出間接法和直接法的模具快速制造特點和問題，可為優化逆向工程技術在快速模具制造中的應用提供有效的新途徑。

逆向工程技術在模具制造中應用的主要有兩個重點關鍵技術：一是模具產品或原型件表面數據獲取技術，即數字化掃描技術;二是模具產品建模技術。數字化掃描是產品或模型表面數據獲取的數字化過程，掃描的原理是激光發生器發出的激光，連續掃描實物內外表面的非接觸式測量，以每秒采集十至上千點數據而獲得空間點云數據，并把采集到的數據存入計算機中。根據模型制造的需要，可以對掃描模型進行編輯、二次設計以及格式轉換，送到其他CAD/CAM系統中進行進一步處理，最后生成需要的快速成型或數控NC加工程序。在實際操作中，通常對于復雜型面，用一張曲面簡單來擬合原型上的所有數據點云基本上是行不通的。一般首先根據原型整體表面所具有的不同特征，將點云數據分割成不同的區域，在各個分割的區域內分別擬合出不同的曲面，然后采用曲面間過渡或曲面求交的方法將不同特征的曲面連接成一個整體，合理的三維測量數據區域分割和擬合技術優化是逆向工程技術中非常重要的內容。

結論

逆向工程技術在模具數字制造技術中的產品快速研發中的應用研究，以實物的反求流程為主線，把流程中每個節點的多個孤立軟件結合起來進行應用研究，尋求軟件參數的最佳優化，從而使模具制造快速化、精確化，助推企業智能制造競爭力的提升。

參考文獻

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