逆向工程在模具制造中的应用

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逆向工程在模具制造中的应用

摘要：逆向工程是制造业一种常用的手段，采用逆向方法进行模具设计与制造，是缩短产品开发周期，提高产品质量，进而建立自己的设计制造体系的重要手段。本文介绍LZ6460乘用车顶盖模具逆向制造方法及过程，并给出一个由点云生成曲面的例子。
关键词：逆向工程；CAD/CAM；模具；顶盖

引言

在产品的开发和制造过程中，几何造型技术的应用相当广泛，但是，由于种种原因，仍有许多产品并非由CAD模型描述，设计和制造者面对的是实物样件。为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定途径，将这些实物转化为CAD模型，使之能利用CAD、CAM、RPM及PDM等先进技术进行处理或管理。目前，这种从实物样件获取产品数学模型相关的技术，已发展成为CAD/CAM中的一个相对独立的范畴，称为“逆向工程”(ReverseEngineering)。通过逆向工程复现实物的CAD模型，使那些以实物为制造基础的产品有可能在设计与制造的过程中，充分利用CAD、CAM、RPM及PDM等先进制造及管理技术。同时，由于逆向工程中的实施能在很短的时间内复制实物样件。因此，它是推行并行工程的重要基础和支撑技术。

1　传统汽车覆盖件模具的设计制造方法

对于自行设计研制的车型来说，覆盖件是雕塑师手工制作的产品，这样的样件不可避免地存在缺陷。有时，也会利用覆盖件样件直接进行仿形加工。而仿形则会将样件上的缺陷全部复制到模具上，其最终产品也继承了样件的全部缺点，造成覆盖件外观光顺性差、准确度低、协调性差。另外传统的模具制造方法手工修模量大，间隙不均匀，需反复修模试模，质量不稳定，加工周期长。如果采用数控设备加工模具，为检验数控刀轨的正确性，还要进行蜡模试切。传统方法致命弱点是生成的模具型腔不具备修改性及重新设计的能力。

2　基于CAD/CAM系统的设计制造方法

采用CAD/CAM一体化技术是现代模具设计制造的要求，可以有效地改善传统方法的不足，由CAD建立的产品模型可以直接生成数控指令，通过DNC接口实现与机床间的数据通讯，使生产中原来用外形模拟传递改变为用数据量传递，使设计与制造环节直接沟通。而且可以在CAD系统中进行外观分析、产品装配、检查配合部件的干涉，对数控加工过程进行仿真，检查加工过程和干涉，实现产品的设计和修改。因此，可以大大降低手工劳动量，缩短新产品研制周期，显著提高产品质量。

将CAD/CAM技术应用于LZ6460乘用车顶盖模具的制造，其制造依据是数学模型，因此得到的制件产品外观光顺、美观、对称、配合轮廓线准确度高，协调性好，修改方便(改形、创新)，制造依据保存期长。

3　逆向设计方法与过程

3.1　CAD/CAM软件选择

目前功能较为完善的商品化CAD/CAM集成系统软件较多，笔者选择了Delcam/Copycad用来逆向设计加工，具体内容包括：

(1)数字化点的输入与处理，包括数据输入与数字化点数据的变换与处理； 
(2)三角形划分，可以根据用户定义的允差三角化数字化模型，然后直接用来加工编程；

选择Imageware/Surfacer来生成曲面。在曲面的重建方面，该系统主要方法有如下两点：可由扫描点直接产生曲面而不需要经过建造曲线的过程，亦可先建周边曲线，而后用该边界与其内部的扫描点群来产生曲面。首先在扫描点群中构造NURBS曲线，然后根据曲线来产生曲面。具体内容包括：

(1)扫描点的分析及处理——可接收不同来源的数据，如用机器扫描，或用照像技术所得的数据等(ASC 文件)； 
(2)曲面模型构造——快速而准确地扫描点变换成NURBS曲面模型； 
(3)曲面模型精度、品质分析； 
(4)曲面修改——曲线和曲面可实时交互形状修改。 

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3.2　逆向设计方法

3.2.1　数据测量

近年来，随着激光技术的发展，在扫描中充分运用激光定向性好的特性，采用非接触式测量方法，如光栅法、全息法、深度图象三维测量法、激光三角法等，有效地克服了机械接触式测量如三坐标测量仪中探测杆的补偿和刚性等许多系统误差，使逆向工程发展到了一个新的高度。

利用高速数控铣床的扫描功能，将顶盖表面数据化，测量中必须考虑测量探头的补偿。由于测量误差的存在，得到的表现数据应进行数据处理，包括坏点的去除，测量盲区数据的补齐，数据均化和平滑等。顶盖云图如图1所示。



3.2.2　几何建模

几何建模是逆向工程的关键，建模的过程也就是对数据进行处理的过程。数据处理的目的是获得输入数据的基本特征信息。其通用的手段主要有数据调整、复制、区域修剪、数据密度修改、数据光顺、噪音去除、尖角保留等，从而得到所需的图形。建立模型的好坏不仅取决于模型对实物形状的拟合程度，也取决于曲面是否光顺以及曲面的连接是否光滑。曲线和曲面的光顺与否是应该特别注意的问题，一般来讲，满足曲线光顺的条件是：1二阶光滑，即曲率连续；2曲线不存在多余的拐点；3曲率变化比较均匀。满足曲面光顺的条件是：1构成曲面的关键曲线光顺；2曲面的网格线无多余的拐点；3曲面高斯曲率变化均匀。

建模的手段有两种：一是用Copycad软件由点云直接生成三角曲面(STL模型)，利用三角曲面模型进行NC加工编程；二是用Surfacer软件由点云生成NURBS曲面模型，进行模具设计和加工。

(1)COPYCAD处理LZ6460乘用车顶盖扫描档的一般步骤：

1)读取文件(ASC 文件)，调入顶盖扫描档，如图1所示：
　　2)编辑、删除多余的点　　
　　3)产生双向扫描线；　　
　　4)偏置模型，基于当前模型偏置测头半径，产生顶盖自己本身的模型；　　
　　5)产生三角曲面，如图2所示。



这样，就可以直接利用图2的三角曲面进行编程加工。

(2)用Surfacer生成曲面的一般步骤：

1)读取ASC 档，如图3所示(点云为车门内板的一角)；






　　2)绘出所建面的边界，如图4所示；
　　3)用Surfacer/Fitw/CloudandCurves指令生成曲面，并延长修剪，得出的结果如图5所示；
　　4)对生成的曲面分别与原始点云进行分析、比较，得到曲面的误差情况云图如图6、7所示；
　　5)把上述两曲面输出成.igs或.vda格式，在专业的CAD软件(如UG、Pro/E、SOLIDWORKS等)中进行编辑。图8为在Pro/E中倒圆角的情形及曲面的高斯曲率分析云图；

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曲面生成以后，就可以进行模具设计和编程加工。



4　逆向工程在其它方面的应用

4.1　损坏或磨损零件的还原







当零件损坏或磨损时，可以直接采用逆向工程方法重构出CAD模型，对损坏的零件表面进行还原和修补。由于被测零件表面的磨损、损坏等原因，造成测量误差，这就要求逆向工程系统具有推理、判断能力。例如：对称性，标准尺寸，平面间的平行，垂直等特性，最后加工出零件。

4.2　数字化模型检测

对加工后的零件进行扫描测量，再利用逆向工程法构造出CAD模型，通过将该模型与原始设计的CAD模型在计算机上的数据进行比较，可以检测制造误差，提高检测精度。

5　结论

应用逆向工程已成功完成LZ6460乘用车开天窗顶盖、前天窗加强板两部件共6套模具的设计及制造，该部件的型面配合达到要求，设计制造周期由原来的6个月缩短为4个月。