模具设计制造中的逆向工程技术

摘要：逆向工程技术融合了多项先进的技术，可以有效缩短模具设计与制造的开发周期，并具有云数据处理功能。他利用逆向软件 Geomagic 对模具进行各项工作。本文对逆向工程技术在模具设计制造中的应用进行了阐述，并结合具体事例进行说明，以期在实际操作中可以提供相应的理论借鉴。

关键词：模具设计制造；逆向工程；技术应用

中图分类号：C35文献标识码： A

引言

过去，传统工艺产品设计制作多以手工形式对原料或半成品进行加工而成；现代，工艺产品开发采用计算机辅助设计，并用机械自动化方式加工成品。当下，随着数字化技术不断发展，以往工艺产品设计所用的计算机辅助正向开发设计模式已经有局限性，而逆向工程技术应用可以大量缩短现代工艺产品设计研发周期，提高企业产品开发效率，提升产品的市场竞争力。

一、逆向工程技术应用与意义

逆向工程也称反求工程或反向工程，是根据已经存在的产品原型或产品设计模型，在此基础上通过三维扫描测量获取数据，运用计算机辅助设计软件处理建模数据，再对实体模型进行重构。最终生成准确模型数据，用于三维打印输出文件。逆向工程技术无论从产品原型或模型出发，直接获取三维数字模型，使用计算机辅助设计软件对其整体造型和零部件进行改良或二次开发，达到企业产品快速创新设计目标，成为产品制造业发展的新途径。

随着生活实用类工艺产品的不断发展，对工艺产品造型设计研发的要求逐步加快，逆向工程技术应用可以快速适应工艺产品设计的需求。基于UGNX软件辅助设计的运用，对三维点云数据处理、工艺产品造型曲面特征提取、产品标准构件曲面模型建立与光顺，再经过重构生成工艺产品的数字模型。对上述的关键模式进行分析和研究，总结出一套简洁、高效的理论与实践方法，适用于模具设计创新开发的操作使用。

二、甲醇泵壳体的铝合金压铸模为例

在生产中经常需要通过已有的事物或者模型进行测量和数据收集，并通过三维几何建模方法把实物重新在电脑软件中构建出来。方便进行下一步的优化与设计。

1、点云数据采集

点云数据采集是逆向设计的必要过程，通过这一过程可以把实物的各项数据进行汇总分析，进而得出这个实物的模型。依靠云数据，利于解决诸多较难解决的问题，对于复杂模型的处理，这项技术更是为人们提供了极大的方便。点云数据的处理可以划分为两个方式，采用非接触式测量方式的数据处理具有方便使用，应用范围广的特点，包括甲醇泵三维光学测量仪。

采用接触式的测量方法较为传统，但是具有测量较为准确的特点，一般要求较高的测量，工程师还是会选择接触式测量，采用三维扫描软件 VXscan，他的精确度可以高达 0.04mm，分辨率达0.05mm。先对其喷涂显影剂，再进行扫描，获得点云文件。

点云数据处理通过第一步的云数据采集，得到了大量的杂乱无章的一系列数据，根据扫描仪器的不同，这些点的数量在几百个到几百万个之间不等。若要依靠人里来完成这些数据的处理显然是不现实的，所以通过相关软件，可以把空间里的点依据他们之间的关系来进行整理，使他们成为有规律的点集，在进行深度的处理模型的雏形便开始显现。由于数据量很大，不可避免的会出现误差和坏点，这就需要有经验的操控者来去除这些点。当做完这一项工作后，便可以创建CAD 模型。

Geomagic 软件就是一种应用广泛的逆向建模软件，点云的处理主要在 GeomagicStudio 中进行,其中包括：全局注册、手动注册、边界优化、清除噪点、补洞、合并、数据简化与保存等相关步骤。点云数据经过处理，可以建立大量曲线曲面的特征网格模型，形成模型框架。通过 Geomagic 软件实现数据网格化后，接着采用 NURBS 曲面拟合算法进行拟合，这时一般会生成多个封闭并且光滑的曲面，再利用软件带有的优化功能对这些曲面进行优化，为下面的拼接打基础。进行初拼接后一般要在进行剪裁，延伸等处理，这样就能获得完整的较完好的曲面模型。而在保存文件时，要选择 IGS 格式，IGS 是 UG、PROE 等三维软件识别的通用文件格式，这样就能有效避免在不同的环境查看出现乱码的情况，一般情况下还要对原有的数据删除。

3、实体建模

用 UGNX 打开曲面文件，对 Geomagic 中未处理好的部分进一步进行修整，并用求得的曲面去切割实体，从而得到具有壳体形状表面的模具型腔模型。

4、模具制造

通过开创性的把逆向工程技术应用在模具设计上，大大缩短了模具的设计周期，虽然这项工程的技术要求较高，但是他节约了劳动力，所创造的财富是毋庸置疑的。他带来的好处不仅体现在收益上，在产品质量上对模具也是一个很大的提升，在降低成本的同时却提高了产品质量，实现了模具的批量生产。再加上通过与 CAD/CAM 相结合，是模具从设计到生产一条龙，在 UGNX 中完成了压铸模型腔模型后，可以直接在 UGNX 中的 CAM 模块中完成其数控加工工艺设计，生成加工代码，最后，在高速加工中心上完成模具的加工。

三、电子香蕉机设计实例说明

依据企业设计要求，选择现有的电子香薰机作为基础，原有电子发热器、照明部件和内部机构保留，针对该产品外观造型进行创新设计。基于上述要求，提出设计方案：保留原产品主机部分，对其产品底座的造型做轻度改良；对原产品整体模型分3个部分设计“顶部、机身、底座”；机身作为一套独立标准构件进行创新设计。新电子香薰机由上至下为喷雾盖、机身标准构件、主机、底座，其机身作为独立标准构件被开发出2种不同款式的造型，但在构件上下接口设计上都是一致的，与产品上部的喷雾盖和下部的底座均可统一连接，便于产品的装配与拆卸。

1、非触摸式三维扫描

此次扫描采用非触摸式三维扫描仪3DSS获取产品模型数据。在扫描前，进行该产品模型喷涂显像剂，使三维扫描仪充分识别模型外观曲面变化特征。待显像剂干后，可贴扫描捕捉使用的固定点（黑色小方块），依据产品造型面的起伏层次，考虑粘贴固定点的数量与位置，便于扫描仪识别固定点，通过固定点准确扫描出三维点云文件。专业扫描员按照预先准备的移位扫描程序，准确操作扫描仪完成工作。扫描文件要求公差不大于0.01 mm，否则扫描文件在三维数据构建中会出现误差。扫描后的文件需专业修复才能生成可用的三维点云文件，再转换成UG软件可识别的stl文件，用于后期计算机辅助设计的使用。

2、采集数据处理技术解析

在对香薰机的扫描采集中，使用非触摸式测量方式，主要突出问题是模型边缘转折面出现断点；并且由于工艺产品仿生形态复杂的曲面变化特点，造成数据存在许多扫描噪点；以及原有工艺产品的造型构件过于重复排列，导致加大扫描测量的工作量，因此针对工艺产品数据采集突出问题，采取相应的解决方法剔除坏点、平滑滤波、分割数据进行独立建模。

2.1 去噪方法

针对电子香薰机外观造型的点云数据进行去噪工作，提出一套相对应的处理数据噪点（误差点）的有效方法。方法首先是：对照被扫描产品模型的六视图片，通过图形系统直接观察形体面上偏差较大的点和图形显示的孤点给予删除，对工艺产品模型整体数据采取初步清除明显噪点。这样，可以降低香薰机模型数据重构的误差，保证后期建模质量。然后，进一步针对香薰机仿生形态曲面中存在局部误差点，采取标准化光顺滤波方式。这种标准化滤波形式是一种清除局部曲面噪点的有效手段，主要在数据中以一定区域内的权函数作为标准化滤波分布标准条件；因为该滤波的平均值效果较小，所以会最大程度缩小扫描数据和原模型的误差，也使得扫描数据曲面造型更光滑美观。蓝色直线连接点代表原始点云呈现出粗糙不平滑效果，经过标准化滤波后的点云呈现出流畅舒缓效果，红色虚线及连接点代表标准化滤波调整点云线段，而绿色直线及连接点为平滑后的点云。

2.2 分割与调整曲面

原香薰机的机身由4个相同仿生花瓣造型曲面构成整体机身造型，通过数据测量获得测量点云数据又被分为4个相同曲面，再进行单块数据处理，这是由于机身造型改良设计做出的分割NURBS曲面方案，可降低后期数据修改与模型重构工作量。将分割后单块数据作为一个标准构件进行再设计制作，便于后期使用建模环形阵列组合法，将4个独立标准构件组成一个新的机身造型实体。

2.3 独立标准构件重构

完成后的独立标准构件曲面，通过UG软件使用的增厚功能重构实体模型。针对香薰机的标准构件模型还要进行布尔运算、倒角和光滑组合功能编辑，形成最终的标准构件实体造型数据，将该数据文件转换为stl格式文件置入UG辅助设计软件中，待后期模型的改良使用。

结束语

逆向工程是一项极具有创新性的技术，对人的创新思维要求很高，另外它的综合性很强，需要工作人员的知识面较为广泛。它的关键在于云数据的处理，这也是这项工程难点，对于曲面的拼接的吻合度要求较高。但是这项工程的开创性的逆向思维，给模具的设计和优化带来了极大的方便，所以在高速发展的今天，这项技术显得尤为重要。

参考文献

[1]王绍春.逆向工程技术在现代产品设计中的应用[J].辽宁经济职业技术学院(辽宁经济管理干部学院学报).2007(03)：112.

[2]张明春;杨玲.逆向工程技术及其在工业设计中的应用[J].机电产品开发与创新.2009(02)；78.

[3]李新宁.逆向工程技术及其应用[J].当代农机.2007(04);98.