逆向工程技術在塑料模具設計中的應用

王書林

（徐州市中等專業學校，江蘇 徐州 221000）

隨著工業產品、生活用品塑料化趨勢的增強，塑料制品的應用范圍逐漸擴大，市場需求量不斷上升，同時各應用領域對塑料產品的強度特性、品質也提出了更高要求，尤其是塑料制品逐漸取代傳統金屬元件，對塑料制品質量要求更為嚴格。目前塑料制品設計與加工技術依然沿用傳統設計模式，即先進行圖紙三維模型構建，再根據成品應用需要進行材料、工藝等設計，常出現因缺失圖紙數據而延長設計與生產周期的情況。將逆向工程技術應用于常規設計模式，顛倒傳統設計流程，先進行實物樣件圖紙設計再進行三維數字模型轉化，能夠有效提高設計精度與效率。以下探究逆向工程技術在塑料模具設計中的具體應用，希望能對行業內合理利用逆向工程技術有一定的參考作用。

1 逆向工程技術概述

逆向工程技術又被稱作反求工程，是指運用測量手段展開對實物、模型的測量，根據獲取的測量數據構建三維幾何模型，重構實物CAD 模型，進行產品設計與制造。具體流程是：在已有樣品基礎上通過測量獲取相關數據、處理數據、經CAD 進行曲面創面和CAD 曲面造型修飾，數據基礎形成后進行模具造型、經CAD 軟件生成NC 程序和加工模具，最終完成模具重構，用于產品復制。

其中需要用到諸多工具與軟件，如在數據測量環節，需要大量點群數據處理軟件，CAD、MAE、CNC 和CAM 等，以及機械接觸式坐標測量機、三維激光掃描機和光學坐標測量機等設備[1]。逆向工程技術作為一項創新型技術，對工程軟件的應用要求嚴格，需要具備噪聲濾除、內插補、曲面修改、細線化、曲線與曲面構建和補點等諸多操作功能[2]。

2 逆向工程技術在塑料模具設計中的應用流程

2.1 數據測量與采集

數據測量與采集是逆向塑料模具設計的第一步，以測量期間側頭與工件是否發生接觸為標準，目前分為有接觸與非接觸兩種測量方式，其中接觸式測量具有較高精準度，對工件的表面光線以及顏色無特殊要求，但需要在測量過程中嚴格控制測量速度，避免劃損側頭；非接觸式具有測量速率快的優點，但測量精度較低，測量過程中要求工件表面光線適宜，目前常用于曲面結構復雜的工件測量。

數據測量是將實物工件與三維數據模型這兩個孤立過程連接實現數字化加工的橋梁，目前為了滿足內行業內高設計效率的需求，測量過程中應充分描繪工件幾何外形特征，采用合適技術與工具，減少無用點云數據的掃描與采集[3]。常用三坐標測量機測量工件曲面點云數據，通過曲面特征情況分析，可自動規劃化面片測量路徑，減少測量中干擾因素、提高測量效率，及時在點云數據下保障曲面質量。

2.2 數據處理

獲取后的點云數據需要經過處理，形成統一視角下的物理輪廓數據信息，這一步驟需要將測量中采集的點云數據轉換成.asc 格式，經Geomagic Studio 軟件完成點云之間的拼合；完成合并后，再利用軟件中的噪音濾除功能，將數據采集過程中因掃描設備振動以及光照產生的噪音點消除；最后需要重新采樣，這一環節至關重要，關系到后續設計的整體效率，其需要對從點云數據的整體上進行考慮，改變數據點之間的距離，進行系統性的處理，減少不必要的點云數據，從而獲取完整的曲面點云[4]。也可利用三維CAD 軟件直接進行點云處理，將獲取的點云數據轉化為.igs 格式，上傳到CAD 軟件中，經冗余數據清除處理、誤測與波動數據消除處理、側頭半徑影響消除處理、數據平滑處理、提取特征數據處理、數據分割處理和視圖合并處理步驟進行操作。

2.3 曲面及CAD 模型建構

目前，常用的曲面模型建構方法有兩種，一種是直接利用點云數據建構曲面，另一種則是點云數據擬合曲面后經過造型工具處理建構曲面。兩種方法獲取的曲面存在差異，點云數據直接建構曲面為非參數化曲面，原始點與曲面之間為非關聯關系，增加了后續設計的難度；而擬合曲面后形成的新曲面為參數化曲面，可為設計提供參數且可進行修改[5]。可將.igs 格式點云數據上傳至Pro/e 軟件中，進行曲面建構；也可利用UG 軟件，經過布爾運算，獲取實物原型的完整三維數據，進行標準化參數曲面建構。

2.4 注塑模具成型件設計

曲面模型建構后可繼續利用Pro/e 軟件進行分模處理，因考慮到需要塑件具有一定拔模傾度，選擇合適的分型面至關重要；軟件中模具分析工具可執行脫模傾斜度檢測命令，使用構成中將收縮率調整為0.005，點擊“編輯”菜單，通過復制、粘貼命令，則可快速創建完成工件外表曲面，再利用填充等工具進行修補，最終合并形成完整分型面。獲取分型面后，利用體積塊分割以及模具進料孔兩個工具進行開模演示，無任何問題后，則可將模塊導進數控加工程序進行編制。

利用UG 等軟件時則可利用無線模塊以及單片機處理數據，最終通過液晶模塊顯示數據用于設計編制。

3 逆向工程技術在塑料模具設計中應用（以電鉆殼模具設計為例）

3.1 數據測量與采集環節

考慮到電鉆殼的外形復雜度，采用Laser-RE600Ⅲ型非接觸式激光掃描儀配和雙CCD 三角測量技術完成點云數據測量采集工作，在采集數據過程中，為避免激光掃描受區域限制，需對電鉆殼正、側兩面進行2 次以上掃描，其中正面掃描利用單方向直線式進行連續性掃描即可，而側面掃描則需要在360°旋轉下完成掃描。

3.2 數據處理環節

將測量后采集的點云數據轉化為.asc 格式，經Geomagic Studio 軟件處理，將其中噪音點與無效點云數據清除，第一環節共采集8633 個點云數據，經過處理后留取4509 個點云數據。

3.3 曲面及CAD 模型建構環節

逆向工程技術設計中采用曲面建構方法先進行曲面擬合，形成參數化曲面，具體操作中將點云數據轉化為.igs 格式，通過Pro/e 軟件進行建構，建構過程中為最大程度保障整個過程清晰、有序，先進行點層數據分層處理，根據電鉆殼曲面特征共分為3 個層次：手柄部為第一層次、電機倉為第二層次、連接處為第三層次，每個層次分別構建起曲面片，經過合并與修剪形成完整曲面。

建構過程中采用四邊參數曲面的“邊界混合”功能，先形成平行的基準面進行曲線造型，再在基準面基礎上消除誤差數據，使曲面過度更為光順；并通過“曲率分析”判斷曲線光順性是否達到標準，如果分析結果顯示曲率呈較大變化趨勢，則表示光順性差。按照以上環節完成第二層次造型曲線建構，最終利用“邊界混合”工具完成不同層次造型曲線的合并。需要注意的是，在曲線建構過程中，需要細化曲線特征，詳細分析塑件形狀以及塑件特征，清除非必須擬合造型曲線，合并過程中需要通過面片的修建處理、合并處理和過度處理，經過“抽殼”與“實體化”工具實現整體的構造，最終經過后期拉伸、倒圓角等工具細化模具特征，完成三維數字化模型建構。

在注塑模具成型件設計環節，需先進行分型面設計，經過體積塊分割將分型面分模，形成如圖1 所示的凹、凸模型腔，模擬模具進料，無問題后導入到數控加工程序編制。

4 結語

逆向工程技術實現了更高效的塑料模具設計，且經過實踐驗證，在設計過程中通過參數化曲面重構提高了模具設計精準度，為實現塑料模具高質量、高效率設計創造了條件。因此，通過逆向工程技術的具體應用分析，希望其使用功能與價值得到充分發揮，成為一種快速、有效的塑料模具設計手段。