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逆向工程在模具制造中的應用
摘要：逆向工程是制造業(yè)一種常用的手段，采用逆向方法進行模具設(shè)計與制造，是縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，進而建立自己的設(shè)計制造體系的重要手段。本文介紹LZ6460乘用車頂蓋模具逆向制造方法及過程，并給出一個由點云生成曲面的例子。關(guān)鍵詞：逆向工程；CAD/CAM；模具；頂蓋
引言
在產(chǎn)品的開發(fā)和制造過程中，幾何造型技術(shù)的應用相當廣泛，但是，由于種種原因，仍有許多產(chǎn)品并非由CAD模型描述，設(shè)計和制造者面對的是實物樣件。為了適應先進制造技術(shù)的發(fā)展，需要通過一定途徑，將這些實物轉(zhuǎn)化為CAD模型，使之能利用CAD、CAM、RPM及PDM等先進技術(shù)進行處理或管理。目前，這種從實物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)學模型相關(guān)的技術(shù)，已發(fā)展成為CAD/CAM中的一個相對獨立的范疇，稱為“逆向工程 ”(ReverseEngineering)。通過逆向工程復現(xiàn)實物的CAD模型，使那些以實物為制造基礎(chǔ)的產(chǎn)品有可能在設(shè)計與制造的過程中，充分利用 CAD、CAM、RPM及PDM等先進制造及管理技術(shù)。同時，由于逆向工程中的實施能在很短的時間內(nèi)復制實物樣件。因此，它是推行并行工程的重要基礎(chǔ)和支撐技術(shù)。
1 傳統(tǒng)汽車覆蓋件模具的設(shè)計制造方法
對于自行設(shè)計研制的車型來說，覆蓋件是雕塑師手工制作的產(chǎn)品，這樣的樣件不可避免地存在缺陷。有時，也會利用覆蓋件樣件直接進行仿形加工。而仿形則會將樣件上的缺陷全部復制到模具上，其最終產(chǎn)品也繼承了樣件的全部缺點，造成覆蓋件外觀光順性差、準確度低、協(xié)調(diào)性差。另外傳統(tǒng)的模具制造方法手工修模量大，間隙不均勻，需反復修模試模，質(zhì)量不穩(wěn)定，加工周期長。如果采用數(shù)控設(shè)備加工模具，為檢驗數(shù)控刀軌的正確性，還要進行蠟模試切。傳統(tǒng)方法致命弱點是生成的模具型腔不具備修改性及重新設(shè)計的能力。
2 基于CAD/CAM系統(tǒng)的設(shè)計制造方法
采用CAD/CAM一體化技術(shù)是現(xiàn)代模具設(shè)計制造的要求，可以有效地改善傳統(tǒng)方法的不足，由CAD建立的產(chǎn)品模型可以直接生成數(shù)控指令，通過DNC接口實現(xiàn)與機床間的數(shù)據(jù)通訊，使生產(chǎn)中原來用外形模擬傳遞改變?yōu)橛脭?shù)據(jù)量傳遞，使設(shè)計與制造環(huán)節(jié)直接溝通。而且可以在CAD系統(tǒng)中進行外觀分析、產(chǎn)品裝配、檢查配合部件的干涉，對數(shù)控加工過程進行仿真，檢查加工過程和干涉，實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計和修改。因此，可以大大降低手工勞動量，縮短新產(chǎn)品研制周期，顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量。
將CAD/CAM技術(shù)應用于LZ6460乘用車頂蓋模具的制造，其制造依據(jù)是數(shù)學模型，因此得到的制件產(chǎn)品外觀光順、美觀、對稱、配合輪廓線準確度高，協(xié)調(diào)性好，修改方便(改形、創(chuàng)新)，制造依據(jù)保存期長。
3 逆向設(shè)計方法與過程
3.1 CAD/CAM軟件選擇
目前功能較為完善的商品化CAD/CAM集成系統(tǒng)軟件較多，筆者選擇了Delcam/Copycad用來逆向設(shè)計加工，具體內(nèi)容包括：
(1)數(shù)字化點的輸入與處理，包括數(shù)據(jù)輸入與數(shù)字化點數(shù)據(jù)的變換與處理；
(2)三角形劃分，可以根據(jù)用戶定義的允差三角化數(shù)字化模型，然后直接用來加工編程；
選擇Imageware/Surfacer來生成曲面。在曲面的重建方面，該系統(tǒng)主要方法有如下兩點：可由掃描點直接產(chǎn)生曲面而不需要經(jīng)過建造曲線的過程，亦可先建周邊曲線，而后用該邊界與其內(nèi)部的掃描點群來產(chǎn)生曲面。首先在掃描點群中構(gòu)造NURBS曲線，然后根據(jù)曲線來產(chǎn)生曲面。具體內(nèi)容包括：
(1)掃描點的分析及處理——可接收不同來源的數(shù)據(jù)，如用機器掃描，或用照像技術(shù)所得的數(shù)據(jù)等(ASC 文件)；
(2)曲面模型構(gòu)造——快速而準確地掃描點變換成NURBS曲面模型；
(3)曲面模型精度、品質(zhì)分析；
(4)曲面修改——曲線和曲面可實時交互形狀修改。
3.2 逆向設(shè)計方法
3.2.1 數(shù)據(jù)測量
近年來，隨著激光技術(shù)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。頂蓋云圖如圖1所示。
3.2.2 幾何建模
幾何建模是逆向工程的關(guān)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(diào)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(gòu)成曲面的關(guān)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。
建模的手段有兩種：一是用Copycad軟件由點云直接生成三角曲面(STL模型)，利用三角曲面模型進行NC加工編程；二是用Surfacer軟件由點云生成NURBS曲面模型，進行模具設(shè)計和加工。
(1)COPYCAD處理LZ6460乘用車頂蓋掃描檔的一般步驟：
1)讀取文件(ASC 文件)，調(diào)入頂蓋掃描檔，如圖1所示：
2)編輯、刪除多余的點
3)產(chǎn)生雙向掃描線；
4)偏置模型，基于當前模型偏置測頭半徑，產(chǎn)生頂蓋自己本身的模型；
5)產(chǎn)生三角曲面，如圖2所示。
這樣，就可以直接利用圖2的三角曲面進行編程加工。
(2)用Surfacer生成曲面的一般步驟：
1)讀取ASC 檔，如圖3所示(點云為車門內(nèi)板的一角)；
2)繪出所建面的邊界，如圖4所示；
3)用Surfacer/Fitw/CloudandCurves指令生成曲面，并延長修剪，得出的結(jié)果如圖5所示；
4)對生成的曲面分別與原始點云進行分析、比較，得到曲面的誤差情況云圖如圖6、7所示；
5)把上述兩曲面輸出成.igs或.vda格式，在專業(yè)的CAD軟件(如UG、Pro/E、SOLIDWORKS等)中進行編輯。圖8為在Pro/E中倒圓角的情形及曲面的高斯曲率分析云圖；
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