逆向工程在模具行業(yè)中的應用吳雨.doc

上海應用技術大學研究生課程（論文類）試卷2 0 16 /2 0 17 學年第 1 學期課程名稱： 逆向工程與快速制造 課程代碼： NX0202008 任課老師： 聶文忠 論文題目： 逆向工程技術在模具行業(yè)中的應用 學生姓名： 吳雨 專業(yè)學號： 安全工程（166091115） 學院： 機械工程學院 課程（論文）成績：課程（論文）評分依據(jù)（必填）：任課教師簽字： 日期：2016年 月 日 課程（論文）題目：逆向工程技術在模具行業(yè)中的應用逆向工程技術在模具行業(yè)中的應用(吳雨,上海應用技術大學，機械工程學院,2016.11.08)摘 要：在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，(60-90)的工業(yè)產(chǎn)品需要使用模具，模具工業(yè)已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)展的基礎。由于有的時候商家給我們設計者的僅僅是一個產(chǎn)品要我們完成模具到產(chǎn)品的整個設計流程.如果產(chǎn)品的形狀很復雜,而且又主要由曲面構成,這時用傳統(tǒng)的方法去分析設計模具會存在很大的困難,此時逆向工程技術在這樣的模具設計制造中得到了廣泛的應用。關鍵詞：正向工程；逆向工程；CAD/CAM/CAE；三坐標測量；模具；快速成型Abstract：In modern industrial production,(60-90)% of industrialproductsrequire the use ofmold,mold industryhas becomethe foundation for industrial development.Becausesometimesthe merchants toourdesignersis justa product toourcompletemold to theproductof the entire design process.If the productshape is very complicated,butmainly by thesurface composition,thenusing the traditional methods toanalysis and design ofdiethere will be a lot ofdifficulties,thereverse engineeringtechnology inmould design and manufactureof suchwidely used.Key words： reverse engineering; CAD/CAM/CAE/; CMM; mold; Rapid Prototyping一、概述逆向工程技術在模具設計制造中的應用主要包含根據(jù)實物樣件制造模,模具的修改定型,以樣本模具為對象的消化吸收,損壞或磨損模具的還原,回彈檢測與質量控制。逆向工程技術是基于實物測量進行反求建模，再結合CAD/CAE/CAM技術實現(xiàn)實物樣件的快速建模、分析與制造，其應用前景已經(jīng)為工程技術人員所關注，在模具行業(yè)中體現(xiàn)出了重要的應用價值。但目前，雖然商用的逆向工程軟件類型很多，但是在實際設計中，專門的逆向工程設計軟件還存在著較大的局限性，在機械設計領域中，集中表現(xiàn)為軟件智能化低；建模過程主要依靠人工干預，設計精度不夠高；集成化程度低等問題。在具體工程設計中，般采用幾種軟件配套使用、取長補短的方式。為此，在實際建模過程中，建模人員往往采用“正向+逆向”的建模模式，即：在正向CAD軟件的基礎上，配備專用的逆向造型軟件，如Imageware、Geomagic等。在逆向軟件中先構建出模型的特征線，而后把這些線導入到正向CAD系統(tǒng)中，由正向CAD系統(tǒng)來完成曲面的重建。正向工程中的模具設計與制造，其過程是設計師根據(jù)產(chǎn)品功能利用繪圖軟件繪出三維數(shù)字模型再設計出合適的模具，然后通過數(shù)控機床加工模具（圖1 ）。CAD出圖模具設計三維設計產(chǎn)品功能 產(chǎn)品模具零件加工制造圖1 正向工程的流程逆向工程中的模具設計與制造，其過程是利用測量設備對產(chǎn)品實物的數(shù)據(jù)采集，然后進行數(shù)據(jù)處理，再提取產(chǎn)品的結構特征，最后通過CAD軟件編輯繪出模型。為了使采集的數(shù)據(jù)與原產(chǎn)品的數(shù)據(jù)近似，通過快速成型的方法把原型復制出來，找出缺陷再對數(shù)據(jù)重新設計，達到原產(chǎn)品的功能。其余與正向工程一樣（圖2）。產(chǎn)品實物數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理提取特征 快速成型曲面重構三維設計再設計圖2 逆向工程的流程從逆向工程技術中，我們可以看到正向工程不能解決的問題，客戶給的只有一個實物樣品或模型，如果無圖紙或CAD數(shù)據(jù)檔案，設計人員無法得到準確的尺寸，那制造模具則更為煩雜！所以只能通過逆向工程技術實現(xiàn)實物反求.二、逆向工程的關鍵技術逆向工程技術的研究對象為產(chǎn)品實物，對于一些具有復雜曲面的零部件如果并非來自圖紙而是起源于另外一些產(chǎn)品或實物，那么，設計人員怎樣將這些實物信息轉化為CAD模型，作為模具的設計與制造的依據(jù)呢？關鍵技術主要包括三個部分：1.實物的數(shù)據(jù)采集(形成點云數(shù)據(jù))及使用的設備所謂數(shù)據(jù)采集，就是透過特定的測量設備和測量方法，獲取零件表面離散點的幾何坐標數(shù)據(jù)，即形成數(shù)據(jù)點云。在反求工程中常采用三坐標測量機（圖8）、三維激光掃描儀（圖9）、三維數(shù)字化儀（圖10）等數(shù)字化方法來快速、準確地獲取“點云”數(shù)據(jù)。如下圖常用的設備： 圖8 三坐標測量 圖9 三維激光掃描 圖10 影像測量作為逆向工程的第一步，如何高效、高精度的獲得實物表面數(shù)據(jù)，是逆向工程實現(xiàn)的基礎和關鍵技術之一。通常，物體三維幾何形狀的測量方法可分為接觸式和非接觸式兩種。非接觸式方法適合采集結構復雜的樣件，效率高，獲得的密集點云信息量大，但是受被測樣件的色澤、光照條件等限制。由于技術本身的限制，在測量中會出現(xiàn)一些不可測區(qū)域（如型腔、小的凹形區(qū)域），可能會造成測量數(shù)據(jù)不完整。同時，產(chǎn)生的測量數(shù)據(jù)過于龐大，會增大數(shù)據(jù)處理和曲面重建的負擔。接觸式測量的典型代表是三坐標測量機，它綜合運用了電子，計算機，光學和數(shù)控等先進技術，是目前最應用最廣泛的測量方法，他是利用測量機上的測頭按規(guī)則捕捉被測表面數(shù)據(jù)，然后按軟件的計算方法算出物體幾何尺寸和相對位置。接觸式方法穩(wěn)定、精度高、智慧化程度高，對被測樣件的色澤、光照條件等沒有特殊要求，但采集數(shù)據(jù)效率低、數(shù)據(jù)量小，受被測物體的結構、材質的限制；所以在實際生產(chǎn)過程中，可以結合兩種測量方法，獲得數(shù)據(jù)。在此基礎上進行復雜曲面的建構、評價、創(chuàng)新性改進和設計。2.數(shù)據(jù)的處理由于測量誤差等因素的存在，采集獲得的數(shù)據(jù)往往存在一定的缺陷，因此需要對點云數(shù)據(jù)進行一些必要的處理。處理工作包括:1)剔除冗余數(shù)據(jù)；2)消除存在的誤測或者波動數(shù)據(jù)；3)消除測頭半徑影響；4) 數(shù)據(jù)平滑處理；5)特征提取和數(shù)據(jù)分割處理。6）多視圖拼合3.曲面模型重建實物原型（圖11）的三維重構是指在獲得較為完整的三維數(shù)據(jù)以后，通過反求工程CAD軟件將采樣數(shù)據(jù)以三維圖形的方式顯示出來（圖12），得到簡略的產(chǎn)品結構外形建模技術。不同于普通的三維實體建模技術，逆向工程中的三維模型重建主要是根據(jù)前面采集到的數(shù)據(jù)，通過插值或者擬合方法，構造一個近似模型來逼近原型（圖13）。 圖11 產(chǎn)品實物 圖12 點云數(shù)據(jù)圖 圖13 3D造型重建得到三維CAD模型之后，根據(jù)需要對其進行創(chuàng)新設計和評估，然后快速成型出樣品，來檢驗新的CAD模型是否滿足設計精度和其他試驗性能指標的要求，對不滿足要求者重復以上過程，直至達到實物樣件的設計要求。三、逆向工程常用的軟件近年來，隨著激光技術的發(fā)展，在掃描中充分運用激光定向性好的特性，采用非接觸式測量方法，如光柵法、全息法、深度圖象三維測量法、激光三角法等，有效地克服了機械接觸式測量如三坐標測量儀中探測桿的補償和剛性等許多系統(tǒng)誤差，使逆向工程發(fā)展到了一個新的高度。 利用高速數(shù)控銑床的掃描功能，將頂蓋表面數(shù)據(jù)化，測量中必須考慮測量探頭的補償。由于測量誤差的存在，得到的表現(xiàn)數(shù)據(jù)應進行數(shù)據(jù)處理，包括壞點的去除，測量盲區(qū)數(shù)據(jù)的補齊，數(shù)據(jù)均化和平滑等。幾何建模是逆向工程的關鍵，建模的過程也就是對數(shù)據(jù)進行處理的過程。數(shù)據(jù)處理的目的是獲得輸入數(shù)據(jù)的基本特征信息。其通用的手段主要有數(shù)據(jù)調整、復制、區(qū) 域修剪、數(shù)據(jù)密度修改、數(shù)據(jù)光順、噪音去除、尖角保留等，從而得到所需的圖形。建立模型的好壞不僅取決于模型對實物形狀的擬合程度，也取決于曲面是否光順 以及曲面的連接是否光滑。曲線和曲面的光順與否是應該特別注意的問題，一般來講，滿足曲線光順的條件是：1二階光滑，即曲率連續(xù)；2曲線不存在多余的拐 點；3曲率變化比較均勻。滿足曲面光順的條件是：1構成曲面的關鍵曲線光順；2曲面的網(wǎng)格線無多余的拐點；3曲面高斯曲率變化均勻。在實際設計中，目前存在的這些軟件還存在著其較大的局限性。在機械設計領域中，集中表現(xiàn)為軟件智能化低；點云 數(shù)據(jù)的處理方面功能弱；建模過程主要依靠人工干預，設計精度不夠高；集成化程度低等問題。例如，surfacer軟件在讀取點云等數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)工作速度較 快，并且能較容易地進行點線的擬合。但通過surfacer進行面的擬合時，軟件所提供的工具及面的質量卻不如其它的cad軟件如pro/e、ug等。在 很多時候，在surfacer里做成的面，還需要到ug等軟件中修改。但是，使用pro/e、ug等軟件讀取點云數(shù)據(jù)時，卻會造成數(shù)據(jù)龐大的問題，對它們 來說，一次讀取如此多的點是比較困難的。在逆向工程技術設計時，需要從設計對象中提取三維數(shù)據(jù)信息。檢測設備的 發(fā)展為產(chǎn)品三維信息的獲取提供了硬件條件。目前，國內廠家使用較多的有英國、意大利、德國、日本等國家生產(chǎn)的三坐標測量機和三維掃描儀。就測頭結構原理來 說，可分為接觸式和非接觸式兩種，其中，接觸式測頭又可分為硬測頭和軟測頭兩種，這種測頭與被測頭物體直接接觸，獲取數(shù)據(jù)信息。非接觸式測頭則是應用光學 及激光的原理進行的。近幾年來，掃描設備有了很大發(fā)展。例如，英國雷尼紹公司的cyclon2高速掃描儀，可實現(xiàn)激光測頭和接觸式掃描頭的互換，激光測頭 的掃描精度達0.05mm，接觸式掃描測頭精度可達0.02mm?？蓪σ姿椤⒁鬃冃蔚男误w及精細花紋進行掃描。德國gom公司的atos掃描儀在測量時， 可隨意繞被測物體進行移動，利用光帶經(jīng)數(shù)據(jù)影象處理器得到實物表面數(shù)據(jù)，掃描范圍可達8m8m。atos掃描不僅適于復雜輪廓的掃描，而且可用于汽車、 摩托車內外飾件的造型工作。此外，日本羅蘭公司的pix-30網(wǎng)點接觸式掃描儀，英國泰勒霍普森公司的talyscan150多傳感掃描儀等，集中體現(xiàn) 了檢測設備的高速化、廉價化和功能復合化等特點。在逆向工程應用中，為了滿足復雜曲面重建的要求，需要專項的逆向造型軟件。比較成熟的是Imageware、Paraform、Geomagic等軟件。Imageware軟件：由美國EDS公司出品，是最著名的逆向工程軟件。1995年，EDS公司進行Imageware軟件商業(yè)化并將其推廣以后，很多著名的國際大公司，像BMW，Audi，GM，F(xiàn)ord，Toyota，等都是Imageware軟件的用戶。由此可見，Imageware軟件在國際上逆向工程行業(yè)領域發(fā)揮著舉足輕重的作用。Geomagic Studio軟件：由美國Raindrop公司研發(fā)出品的一種三維檢測軟件和逆向工程軟件，該軟件能很容易地從掃描所得的點云數(shù)據(jù)中創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并能自行更改而構造出多張連續(xù)的曲面。軟件的應用領域包括了從工業(yè)設計到醫(yī)療仿真等諸多方面。CopyCAD軟件：由英國DELCAM公司出品的功能強大的逆向工程系統(tǒng)軟件。該軟件主要處理測量數(shù)據(jù)的曲面造型。CopyCAD軟件用戶界面非常簡單，對于初次學習者或使用者來說這點很占優(yōu)勢。RapidForm軟件：由韓國INUS公司出品。RapidForm軟件提供了新一代運算模式，運算速度加快，增強了掃描品質，大大提高了工作效率。對于高級光學3D掃描儀產(chǎn)生的非常龐大的數(shù)據(jù)，以前需要配置很高的電腦硬件才能對其進行運算，現(xiàn)在RapidForm軟件對其進行的運算使用了更少的系統(tǒng)資源，突顯出RapidForm軟件的優(yōu)勢。國內逆向工程軟件以清華大學、浙江大學等研究較為深入，但軟件的穩(wěn)定性和操作性等方面，不具備和國外商業(yè)軟件競爭的條件，其功能設置、操作方式符合國內用戶的習慣，特別是價格優(yōu)勢在同類軟件中有極強的競爭力。四、逆向工程技術與快速成型技術逆向工程技術大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，以“短、快”的優(yōu)點使產(chǎn)品能較快地搶占市場的制高點。通過重建得到三維CAD模型之后，根據(jù)需要對其進行創(chuàng)新設計和評估，然后快速成型出樣品，來檢驗新的CAD模型是否滿足設計精度和其他試驗性能指標的要求，對不滿足要求者重復以上過程，直至達到實物樣件的設計要求。如果沒有通過兩個技術的結合，成品的質量將不穩(wěn)定，將樣品上的缺陷全部復制到模具上，其最終產(chǎn)品也繼承了樣品的全部缺點，造成人力、物力、才力的浪費?，F(xiàn)代模具行業(yè)的競爭中，時間就是生命。傳統(tǒng)方法致命弱點是生成模具零件不具備修改性及重新設計的能力，使得加工周期變長。利用逆向工程技術進行復雜模具的快速制造，可以很好地解決傳統(tǒng)設計、制造周期長、成本高、對工作人員技術要求高等問題，使模具的制造更加簡單、方便、快速。另外，該方法很好地保證了模具的制造精度，達到了預期的要求與效果。因此，本方法可以在模具工業(yè)領域進行廣泛推廣應用。1.上游廠商的實物樣件 根據(jù)客戶提供的實物樣件制造出模具或直接加工出產(chǎn)品。從上游廠商接收的技術資料可能并非CA