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基于逆向工程的模具修復(fù)討究及應(yīng)用
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(duì)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(duì)模具修復(fù)工作進(jìn)行研究。首先，簡(jiǎn)單介紹了逆向工程的概念及應(yīng)用領(lǐng)域；其次，對(duì)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(guò)對(duì)一汽車沖壓件模具修復(fù)工作為例，驗(yàn)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(shí)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)，模具作為現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的工藝裝備，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(jìng)爭(zhēng)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(duì)于進(jìn)口的模具，往往因?yàn)槟骋粋�(gè)部位的磨損而報(bào)廢，如果重新制造模具不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)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(jì)量器具檢測(cè)、采用極限量規(guī)測(cè)量、采用直線度誤差的測(cè)量、平面度誤差的測(cè)量、圓度誤差的測(cè)量和制造專用量具等對(duì)磨損區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)模具磨損程度制定修復(fù)方案。這些模具修復(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(duì)于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的模具更是束手無(wú)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(jiǎn)稱RE)，也稱反求工程、反向工程等，即實(shí)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(duì)物品或樣件，利用數(shù)字化測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理、模型重構(gòu)，然后運(yùn)用數(shù)控機(jī)床或快速原型技術(shù)對(duì)其加工制造，最終實(shí)現(xiàn)成品的生成。逆向工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)下游向設(shè)計(jì)上游信息反饋的回路。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：① 新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)；② 對(duì)已有產(chǎn)品的仿制、復(fù)制，再現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖；③ 損壞或破損產(chǎn)品的還原和修復(fù)；④ 產(chǎn)品的檢測(cè)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(jì)制造和模具的修復(fù)，即在只有設(shè)計(jì)樣件而沒(méi)有設(shè)計(jì)圖紙和設(shè)計(jì)文檔的情況下，利用逆向工程技術(shù)對(duì)原有的模具在結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和對(duì)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)
2．1 三維實(shí)體模型數(shù)字化
三維實(shí)體模型數(shù)字化是基于逆向工程的模具修復(fù)過(guò)程中的首要環(huán)節(jié)，其測(cè)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內(nèi)側(cè)，加上其結(jié)構(gòu)本身比較復(fù)雜，目前較為常見(jiàn)的數(shù)字化測(cè)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(cè)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(shí)際，因此采用陰陽(yáng)模法對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。陰陽(yáng)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(yáng)模或樣品零件，然后利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、光柵測(cè)量?jī)x及激光測(cè)量?jī)x等數(shù)字化測(cè)量方式對(duì)模具型腔陽(yáng)模或樣品零件輪廓進(jìn)行數(shù)字化采集獲取其點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后利用逆向工程軟件進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理得到滿意的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，并對(duì)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(cè)量部位
根據(jù)樣品結(jié)構(gòu)和用戶的具體要求，分析樣件需要重點(diǎn)測(cè)量的部位。在對(duì)模型進(jìn)行三維實(shí)體模型數(shù)字化之前，應(yīng)對(duì)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(cè)量部位時(shí)，在選擇被測(cè)件的磨損區(qū)域同時(shí)，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(diǎn)云將用于后續(xù)的測(cè)量點(diǎn)云的多視拼合、模型對(duì)齊等，以保證磨損量分析的精度。
(2)選擇測(cè)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(cè)量原理的不同，各種數(shù)字化設(shè)備各有所長(zhǎng)，對(duì)不同類型的模具所選用的測(cè)量方法也有所不同。因此在選用數(shù)字化測(cè)量方法時(shí)應(yīng)注意一下因素：① 對(duì)于磨損面積較大的模具，應(yīng)選擇測(cè)量速度較快的數(shù)字化設(shè)備，提高測(cè)量效率；② 對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具，應(yīng)選用課測(cè)量復(fù)雜輪廓的測(cè)量設(shè)備；③ 數(shù)字化設(shè)備的測(cè)量精度應(yīng)該高于后續(xù)分析的精度，一般來(lái)說(shuō)，進(jìn)行零件的磨損規(guī)律研究，需要高精度的測(cè)量系統(tǒng)。
(3)選擇測(cè)量方案
對(duì)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(guò)一次測(cè)量完成對(duì)整個(gè)模型輪廓的測(cè)量，這些因素包括：① 復(fù)雜型面在投影上往往存在投影編碼盲點(diǎn)和視覺(jué)死區(qū)，無(wú)法一次完成全部型面的測(cè)量；② 對(duì)于大型輪廓模型，由于受測(cè)量系統(tǒng)范圍限制，必須實(shí)行分區(qū)域測(cè)量。在對(duì)模型進(jìn)行三維模型數(shù)字化之前，首先要分析被測(cè)對(duì)象的形狀、需要掃描的區(qū)域，并結(jié)合所選測(cè)量設(shè)備的特征參數(shù)(如測(cè)量范圍、測(cè)量精度等)制定出一套合理的測(cè)量方案。
(4)測(cè)量模型
根據(jù)已選定的數(shù)字化測(cè)量?jī)x和制定的測(cè)量方案對(duì)擬定好的測(cè)量部位進(jìn)行測(cè)量。
2．2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理
在三維實(shí)體模型數(shù)字化過(guò)程中，無(wú)論是接觸式測(cè)量還是非接觸式測(cè)量，在掃描過(guò)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(cè)量數(shù)據(jù)誤差。因此，在對(duì)模具模型進(jìn)行三維數(shù)字化之后，有必對(duì)離散點(diǎn)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(cè)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(diǎn)云拼合、點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波及平滑、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)和數(shù)據(jù)分塊等幾個(gè)方面。
(1)多視點(diǎn)云拼合
在對(duì)模具外輪廓的測(cè)量過(guò)程中，由于輪廓的幾何特征及其他因素，往往造成無(wú)法通過(guò)一次完整的對(duì)模型輪廓的測(cè)量得到完整的數(shù)據(jù)，而是把模型表面分為多個(gè)局部相互重疊的子區(qū)域，從多個(gè)視覺(jué)角度獲取各個(gè)子區(qū)域的表面信息。將這些子區(qū)域的點(diǎn)云通過(guò)變換或統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系中，稱為多視點(diǎn)云拼合。
多視點(diǎn)云拼合獲得的數(shù)字化模型應(yīng)該滿足 ：① 磨損型面數(shù)據(jù)完整；② 能保證與磨損前模型對(duì)齊的精度達(dá)到磨損分析的要求。目前，對(duì)于多視點(diǎn)云的拼合的方法，有通過(guò)專用測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)測(cè)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(guò)專用測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的直接拼合是指通過(guò)專用測(cè)量裝置，直接記錄工件測(cè)量中的移動(dòng)量和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并通過(guò)測(cè)量軟件直接對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償進(jìn)而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)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：① 數(shù)據(jù)的直接拼合就是直接對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)集進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)的拼合，以獲得完整的數(shù)據(jù)信息和一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，重構(gòu)出原型；② 基于圖形的多視對(duì)齊，就是對(duì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)過(guò)濾及平滑
由于受到不可避免的測(cè)量誤差和人為因素(如測(cè)量中的異常振動(dòng)、光學(xué)式測(cè)量?jī)x的電器誤差等)的影響，采樣點(diǎn)云并非完全落在原物體上，易出現(xiàn)“疵點(diǎn)”(extraneous data) ，并往往帶有許多無(wú)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(cè)量過(guò)程中人為或隨機(jī)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)點(diǎn)云質(zhì)量和建模要求選擇合理的濾波方法。對(duì)于體外較明顯的噪聲點(diǎn)，可以直接用手工刪除。
(3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)
在三維實(shí)體模型數(shù)字化過(guò)程中，將會(huì)得到海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，冗余的點(diǎn)云會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)運(yùn)行、存儲(chǔ)和操作的效率降低，生成曲面模型需要消耗更多的時(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)是重要的研究?jī)?nèi)容之一 。不同類型的“點(diǎn)云”可采用不同的精簡(jiǎn)方式，散亂“點(diǎn)云”可通過(guò)隨機(jī)采樣的方法來(lái)精簡(jiǎn) ；對(duì)于掃描線“點(diǎn)云”和多邊形“點(diǎn)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(diǎn)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)濾波后產(chǎn)生的空穴填補(bǔ)辦法和基于面密度概念的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化方法 。
(4)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊
對(duì)于模具樣件，其外表輪廓往往由多張曲面混合組成。點(diǎn)云分塊是根據(jù)實(shí)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(shí)，再經(jīng)過(guò)曲面的過(guò)渡、相交、剪裁等方法將多個(gè)分塊的曲面組成一個(gè)整體。目前，點(diǎn)云分塊分為基于測(cè)量的分割和自動(dòng)分割兩類 �；跍y(cè)量分割的方法使用于機(jī)構(gòu)特征比較明顯的物體，操作者的水平和經(jīng)驗(yàn)將直接影響結(jié)果。自動(dòng)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(diǎn)連接形成邊界環(huán)，判斷點(diǎn)集是否屬于環(huán)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云分塊。基于面的方法是嘗試推出具有相同曲面性質(zhì)的點(diǎn)，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。
2．3 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(cè)量?jī)x所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)插值或者擬合構(gòu)建一個(gè)近似實(shí)體原型的模型。模型重構(gòu)是整個(gè)逆向工程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的環(huán)節(jié) 。常見(jiàn)的模型重構(gòu)方法有兩種：①先將數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)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；② 直接對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲面片擬合，再經(jīng)過(guò)對(duì)曲面片的過(guò)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(shí)例
本實(shí)驗(yàn)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(cè)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(tái)配合使用，從不同方位自動(dòng)對(duì)被測(cè)物件進(jìn)行圖像采集；經(jīng)三維圖像處理軟件的計(jì)算，自動(dòng)生成具備各像素對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(duì)該模具實(shí)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(cè)量系統(tǒng)獲得沖壓件外表面輪廓的模型三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用逆向工程軟件Geomigic Studio對(duì)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行多視點(diǎn)云拼合、數(shù)據(jù)濾波、平滑處理、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)，得到較為滿意的數(shù)據(jù)，接著對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，把屬于同一類型的數(shù)據(jù)點(diǎn)劃分到同一區(qū)域，對(duì)劃分的區(qū)域利用曲面重構(gòu)技術(shù)選取特征截面、建立特征線、特征網(wǎng)格，再對(duì)網(wǎng)格線進(jìn)行光順，最后由曲線擬合成曲面。根據(jù)所顯示的磨損程度，制定模具是修復(fù)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)模具的精確修復(fù)工作。
4 結(jié)束語(yǔ)
實(shí)踐證明，逆向工程為模具修復(fù)技術(shù)提供了一種新的技術(shù)手段。逆向工程技術(shù)使模具修復(fù)工作和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的數(shù)據(jù)測(cè)量技術(shù)、快速制造技術(shù)緊密結(jié)合，提高模具修復(fù)精度、效率，大大降低模具的成本，延長(zhǎng)了模具是使用壽命和工作周期，從而提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)性。
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