基于逆向工程的模具修復(fù)討究及應(yīng)用

1、摘要：隨著工業(yè)的發(fā)展，模具在制造業(yè)種的地位日益突出，在航空、汽車、輪船等行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛，因此對模具的修復(fù)工作也顯得極為重要。論文基于逆向工程技術(shù)對模具修復(fù)工作進(jìn)行研究。首先，簡單介紹了逆向工程的概念及應(yīng)用領(lǐng)域；其次，對逆向工程在模具修復(fù)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述；最后通過對一汽車沖壓件模具修復(fù)工作為例，驗證了逆向工程技術(shù)在模具修復(fù)中的可行性。為模具修復(fù)工作實現(xiàn)高精度、高效率、低成本提供了指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：逆向工程；模具修復(fù)；沖壓模具0 引言隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，模具在制造業(yè)中的地位日益突出，在航空、汽車、輪船等行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛。優(yōu)質(zhì)、高效、低成本一直是制造技術(shù)發(fā)展追求的永恒的目標(biāo)，模具作

2、為現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的工藝裝備，論文來源是提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源和原材料、體現(xiàn)模具生產(chǎn)制品技術(shù)經(jīng)濟(jì)性地有效手段，已成為當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的工藝發(fā)展方向和產(chǎn)品參與生產(chǎn)競爭的主要關(guān)鍵。然而，由于自然磨損及操作人員操作不當(dāng)?shù)仍?，造成模具的磨損或嚴(yán)重磨損。并且對于進(jìn)口的模具，往往因為某一個部位的磨損而報廢，如果重新制造模具不僅費時費力，還額外增加制造成本，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。因此，模具的修復(fù)工作顯得尤為重要。傳統(tǒng)的模具修復(fù)方式主要是采用普通計量器具檢測、采用極限量規(guī)測量、采用直線度誤差的測量、平面度誤差的測量、圓度誤差的測量和制造專用量具等對磨損區(qū)域進(jìn)行測量，然后根據(jù)模具磨損程度制定修復(fù)方案。這些模

3、具修復(fù)方式成本高、效率低、修復(fù)精度難以達(dá)到要求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代模具的需要，并且對于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的模具更是束手無策?；谀嫦蚬こ碳夹g(shù)的模具修復(fù)是一種較為先進(jìn)的模具修復(fù)方式，并在模具修復(fù)領(lǐng)域有著良好的發(fā)展前景。1 逆向工程“逆向工程”(Reverse Engineering，簡稱RE)，也稱反求工程、反向工程等，即實體轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重構(gòu)技術(shù)、模型制造技術(shù)的總稱 。即針對物品或樣件，利用數(shù)字化測量儀進(jìn)行測量，得到點云數(shù)據(jù)，進(jìn)而對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行點云預(yù)處理、模型重構(gòu)，然后運用數(shù)控機床或快速原型技術(shù)對其加工制造，最終實現(xiàn)成品的生成。逆向工程產(chǎn)品設(shè)計下游向設(shè)計上游信息反饋的回路。

4、逆向工程通常包括幾何形狀反求、工藝反求和材料反求，在工程領(lǐng)域中，幾何形狀反求得到廣泛的應(yīng)用。逆向工程技術(shù)應(yīng)用極為廣泛，主要應(yīng)用于： 新產(chǎn)品的設(shè)計； 對已有產(chǎn)品的仿制、復(fù)制，再現(xiàn)設(shè)計意圖； 損壞或破損產(chǎn)品的還原和修復(fù)； 產(chǎn)品的檢測等方面。逆向工程在模具行業(yè)的應(yīng)用主要是模具設(shè)計制造和模具的修復(fù)，即在只有設(shè)計樣件而沒有設(shè)計圖紙和設(shè)計文檔的情況下，利用逆向工程技術(shù)對原有的模具在結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計和對磨損的模具磨損部位修復(fù)。2 逆向工程在模具修復(fù)中的關(guān)鍵技術(shù)21 三維實體模型數(shù)字化三維實體模型數(shù)字化是基于逆向工程的模具修復(fù)過程中的首要環(huán)節(jié)，其測量的數(shù)據(jù)將直接影響到模型重構(gòu)的效果。由于模具的型腔處于模具

5、內(nèi)側(cè)，加上其結(jié)構(gòu)本身比較復(fù)雜，目前較為常見的數(shù)字化測量設(shè)備如激光式、結(jié)構(gòu)光式和光柵式掃描儀等不能直接測量其輪廓，而層析法和工業(yè)CT法由于成本太高，不切合生產(chǎn)實際，因此采用陰陽模法對其進(jìn)行修復(fù)。陰陽模法就是利用油泥或其他材料根據(jù)模具型腔結(jié)構(gòu)制成模具型腔的陽?；驑悠妨慵?，然后利用三坐標(biāo)測量儀、光柵測量儀及激光測量儀等數(shù)字化測量方式對模具型腔陽?；驑悠妨慵喞M(jìn)行數(shù)字化采集獲取其點云數(shù)據(jù)，然后利用逆向工程軟件進(jìn)行點云預(yù)處理得到滿意的點云數(shù)據(jù)模型，并對其進(jìn)行曲面模型重構(gòu)，待模型重構(gòu)完成后再利用三維CAD軟件反推出模具型腔的模型。模型輪廓數(shù)字化采集步驟為：(1)選定測量部位根據(jù)樣品結(jié)構(gòu)和用戶的具體要求，

6、分析樣件需要重點測量的部位。在對模型進(jìn)行三維實體模型數(shù)字化之前，應(yīng)對模型輪廓以及模型的特征進(jìn)行詳細(xì)的分析，確定模型的磨損區(qū)域。選擇測量部位時，在選擇被測件的磨損區(qū)域同時，還需選擇未磨損或磨損區(qū)域較輕的區(qū)域以及具有基本特征的區(qū)域。這些區(qū)域的點云將用于后續(xù)的測量點云的多視拼合、模型對齊等，以保證磨損量分析的精度。(2)選擇測量設(shè)備常用的數(shù)字化采集方法分為接觸式和非接觸式 。由于測量原理的不同，各種數(shù)字化設(shè)備各有所長，對不同類型的模具所選用的測量方法也有所不同。因此在選用數(shù)字化測量方法時應(yīng)注意一下因素： 對于磨損面積較大的模具，應(yīng)選擇測量速度較快的數(shù)字化設(shè)備，提高測量效率； 對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具，應(yīng)選

7、用課測量復(fù)雜輪廓的測量設(shè)備； 數(shù)字化設(shè)備的測量精度應(yīng)該高于后續(xù)分析的精度，一般來說，進(jìn)行零件的磨損規(guī)律研究，需要高精度的測量系統(tǒng)。(3)選擇測量方案對于一些形狀比較特殊的模型，由于自身所具有的因素?zé)o法通過一次測量完成對整個模型輪廓的測量，這些因素包括： 復(fù)雜型面在投影上往往存在投影編碼盲點和視覺死區(qū)，無法一次完成全部型面的測量； 對于大型輪廓模型，由于受測量系統(tǒng)范圍限制，必須實行分區(qū)域測量。在對模型進(jìn)行三維模型數(shù)字化之前，首先要分析被測對象的形狀、需要掃描的區(qū)域，并結(jié)合所選測量設(shè)備的特征參數(shù)(如測量范圍、測量精度等)制定出一套合理的測量方案。(4)測量模型根據(jù)已選定的數(shù)字化測量儀和制定的測量方

8、案對擬定好的測量部位進(jìn)行測量。22 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理在三維實體模型數(shù)字化過程中，無論是接觸式測量還是非接觸式測量，在掃描過程中都不可避免地引入數(shù)據(jù)誤差，尤其是在尖銳邊緣和產(chǎn)品邊界附近的測量數(shù)據(jù)誤差。因此，在對模具模型進(jìn)行三維數(shù)字化之后，有必對離散點云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，獲得滿意的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是獲得完整、準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)以方便后續(xù)的造型工作。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括多視點云拼合、點云數(shù)據(jù)濾波及平滑、數(shù)據(jù)精簡和數(shù)據(jù)分塊等幾個方面。(1)多視點云拼合在對模具外輪廓的測量過程中，由于輪廓的幾何特征及其他因素，往往造成無法通過一次完整的對模型輪廓的測量得到完整的數(shù)據(jù)，而是把模型表面分為多個局部相互重疊的子區(qū)

9、域，從多個視覺角度獲取各個子區(qū)域的表面信息。將這些子區(qū)域的點云通過變換或統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系中，稱為多視點云拼合。多視點云拼合獲得的數(shù)字化模型應(yīng)該滿足 ： 磨損型面數(shù)據(jù)完整； 能保證與磨損前模型對齊的精度達(dá)到磨損分析的要求。目前，對于多視點云的拼合的方法，有通過專用測量裝置實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的直接拼合和事后數(shù)據(jù)拼合處理兩種方法。通過專用測量裝置實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的直接拼合是指通過專用測量裝置，直接記錄工件測量中的移動量和轉(zhuǎn)動角度，并通過測量軟件直接對數(shù)據(jù)點進(jìn)行運動補償進(jìn)而實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的拼合。事后數(shù)據(jù)拼合處理分為數(shù)據(jù)的直接拼合和基于圖形的拼合兩種： 數(shù)據(jù)的直接拼合就是直接對數(shù)據(jù)點集進(jìn)行操作，實現(xiàn)點數(shù)據(jù)的拼合，以

10、獲得完整的數(shù)據(jù)信息和一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，重構(gòu)出原型； 基于圖形的多視對齊，就是對各視圖數(shù)據(jù)進(jìn)行局部造型，最后再拼合這些幾何圖形。(2)點云數(shù)據(jù)過濾及平滑由于受到不可避免的測量誤差和人為因素(如測量中的異常振動、光學(xué)式測量儀的電器誤差等)的影響，采樣點云并非完全落在原物體上，易出現(xiàn)“疵點”(extraneous data) ，并往往帶有許多無用信息，這些噪聲數(shù)據(jù)將直接影響重建曲面的品質(zhì)。數(shù)據(jù)平滑可降低或消除測量過程中人為或隨機因素引起的誤差，常用的方法有標(biāo)準(zhǔn)高斯法、平均濾波法或中值濾波算法。 ，其中高斯濾波法能較好地保持原數(shù)據(jù)的形貌，中值濾波法則在消除數(shù)據(jù)的毛刺方面效果較好。在實際應(yīng)用時，可以根據(jù)點

11、云質(zhì)量和建模要求選擇合理的濾波方法。對于體外較明顯的噪聲點，可以直接用手工刪除。(3)點云數(shù)據(jù)精簡在三維實體模型數(shù)字化過程中，將會得到海量點云數(shù)據(jù)，冗余的點云會導(dǎo)致計算機運行、存儲和操作的效率降低，生成曲面模型需要消耗更多的時間，并且還要影響重構(gòu)曲面的光順性。因此，在保證一定精度的前提下，逆向工程中測量數(shù)據(jù)的精簡是重要的研究內(nèi)容之一 。不同類型的“點云”可采用不同的精簡方式，散亂“點云”可通過隨機采樣的方法來精簡 ；對于掃描線“點云”和多邊形“點云”可采用等間距縮減、倍率縮減、等量縮減、弦偏差等方法；網(wǎng)格化“點云”可采用等分布密度法和最小包圍區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)縮減。另外，還有基于灰色系統(tǒng)理論的數(shù)據(jù)濾

12、波后產(chǎn)生的空穴填補辦法和基于面密度概念的數(shù)據(jù)簡化方法 。(4)點云數(shù)據(jù)分塊對于模具樣件，其外表輪廓往往由多張曲面混合組成。點云分塊是根據(jù)實體外形曲面的自取面類型，將屬于同一自取面類型的數(shù)據(jù)成組，將全部數(shù)據(jù)劃分為代表不同類型的數(shù)據(jù)域，模型重構(gòu)時，再經(jīng)過曲面的過渡、相交、剪裁等方法將多個分塊的曲面組成一個整體。目前，點云分塊分為基于測量的分割和自動分割兩類 ?；跍y量分割的方法使用于機構(gòu)特征比較明顯的物體，操作者的水平和經(jīng)驗將直接影響結(jié)果。自動分割法分為基于邊和基于面分塊兩種方法?；谶叺姆謮K方法首先根據(jù)相同類型的邊界點連接形成邊界環(huán)，判斷點集是否屬于環(huán)內(nèi)，實現(xiàn)點云分塊。基于面的方法是嘗試推出具有

13、相同曲面性質(zhì)的點，然后進(jìn)一步?jīng)Q定所屬的曲面，最后義相鄰的曲面決定曲面間的邊界。23 曲面模型重構(gòu)在逆向工程中，模型重構(gòu)是利用數(shù)字化測量儀所獲得的點云數(shù)據(jù)，通過插值或者擬合構(gòu)建一個近似實體原型的模型。模型重構(gòu)是整個逆向工程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的環(huán)節(jié) 。常見的模型重構(gòu)方法有兩種：先將數(shù)據(jù)點通過插值或逼近擬合成曲線，再利用造型工具將曲線構(gòu)建成曲面； 直接對測量數(shù)據(jù)點進(jìn)行曲面片擬合，再經(jīng)過對曲面片的過渡、拼接、裁剪等操作完成曲面模型的構(gòu)建。另外還有基于產(chǎn)品幾何特征及約束特征的模型重建方法，該方法可以根據(jù)模型的整體屬性，較清晰地表達(dá)模型的集合特征之間的約束關(guān)系。3 應(yīng)用實例本實驗室擁有一套北京博維恒信科技公司生產(chǎn)的三維彩色數(shù)字化測量系統(tǒng)3D CaMega光學(xué)掃描儀。該系統(tǒng)采用了光學(xué)照相式的快速攝影方式，與高精密數(shù)控旋轉(zhuǎn)臺配合使用，從不同方位自動對被測物件進(jìn)行圖像采集；經(jīng)三維圖像處理軟件的計算，自動生成具備各像素對應(yīng)點空間坐標(biāo)和色彩復(fù)合數(shù)據(jù)的三維彩色數(shù)字圖像。針對該模具實例，按照型腔結(jié)構(gòu)制作出一沖壓件，利用三維數(shù)字化測量系統(tǒng)獲得沖壓件外表面輪廓的模型三維點云數(shù)據(jù)。利用逆向工程軟件Geomigic Studio對獲得的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行多視點云拼合、數(shù)據(jù)濾波、平滑處理、數(shù)據(jù)精簡，得到較為滿意的數(shù)據(jù)，接著對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，把屬于同一類型的數(shù)據(jù)點劃分到同一區(qū)域