146、逆向工程技术结合快速成型技术在模具行业中的应用

146 逆向工程技术结合快速成型技术在模具行业中的应用

The application of reverse engineering technology combined with Rapid Prototyping Technology in the field of mold

摘要：现代消费者不但对产品的设计质量，功能而且对造型美感，个性化提出了越来越高的

要求，同时消费者“ 喜新厌旧” 的速度之快，使得传统的设计、加工满足不了现状。应用逆向工程技术和快速成型技术，能够在最短的时间推出新产品，而且在保证产品质量的同时，降低成本，并满足现代产品设计的要求。本文主要介绍逆向工程技术如何解决正向模具设计所面对的问题、逆向工程常用的软件。

Nowadays’ customers not only request their higher and higher demands on products’ design quality and fucion but also on products’ aesthetic feeling and individuation. Meanwhile, customers’ quick changing idea as “the grass is always greener” makes traditional design and machining methods can’t meet the status quo. The reverse engineering technology and rapid prototyping technology can introduce the new products in shortest time and decrease the cost but ensure the products’ quality, and meet the requirement of modern products’ design. In this article, the author mainly into ducts how the reverse engineering technology solve the problems met by forward mold design and some common reverse engineering softwares.

关键词：正向工程；逆向工程；CAD/CAM/CAE；三坐标测量；模具；快速成型

Forward engineering： reverse engineering; CAD/CAM/CAE/; CMM; mold; Rapid Prototyping

一、 概述：

正向工程中的模具设计与制造，其过程是设计师根据产品功能利用绘图软件绘出三维数字模型再设计出合适的模具，然后通过数控机床加工模具（图1 ）。 产品功能 三维设计 模具设计 CAD出图 加工制造 模具零件 产品

图1 正向工程的流程 逆向工程中的模具设计与制造，其过程是利用测量设备对产品实物的数据采集，然后进行数据处理，再提取产品的结构特征，最后通过CAD软件编辑绘出模型。为了使采集的数据与原产品的数据近似，通过快速成型的方法把原型复制出来，找出缺陷再对数据重新设计，达到原产品的功能。其余与正向工程一样（图2）。

产品实物 数据采集 数据处理 提取特征 快速成型

三维设计 再设计 曲面重构

图2 逆向工程的流程

从逆向工程技术中，我们可以看到正向工程不能解决的问题，客户给的只有一个实物样品或模型，如（图3、 4）。

图3 手机面板 图4 汽车尾灯

如果无图纸或CAD数据档案，设计人员无法得到准确的尺寸，那制造模具则更为烦杂！所以只能通过逆向工程技术实现实物反求（图5、6、7）。

图5 工艺品花纹 图6 电动车篮子 图7 车轮圈

二、逆向工程的关键技术

逆向工程技术的研究对象为产品实物，对于一些具有复杂曲面的零部件如果并非来自图纸而是起源于另外一些产品或实物，那么，设计人员怎样将这些实物信息转化为CAD模型，作为模具的设计与制造的依据呢？关键技术主要包括三个部分：

1.实物的数据采集(形成点云数据)及使用的设备

所谓数据采集，就是透过特定的测量设备和测量方法，获取零件表面离散点的几何坐标数据，即形成数据点云。在反求工程中常采用三坐标测量机（图8）、三维激光扫描仪（图9）、三维数字化仪（图10）等数字化方法来快速、准确地获取“点云”数据。如下图常用的设备：

图8 三坐标测量 图9 三维激光扫描 图10 影像测量

作为逆向工程的第一步，如何高效、高精度的获得实物表面数据，是逆向工程实现的基础和关键技术之一。通常，物体三维几何形状的测量方法可分为接触式和非接触式两种。非接触式方法适合采集结构复杂的样件，效率高，获得的密集点云信息量大，但是受被测样件的色泽、光照条件等限制。由于技术本身的限制，在测量中会出现一些不可测区域（如型腔、小的凹形区域），可能会造成测量数据不完整。同时，产生的测量数据过于庞大，会增大数据处理和曲面重建的负担。接触式测量的典型代表是三坐标测量机，它综合运用了电子，计算机，光学和数控等先进技术，是目前

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最应用最广泛的测量方法，他是利用测量机上的测头按规则捕捉被测表面数据，然后按软件的计算方法算出物体几何尺寸和相对位置。接触式方法稳定、精度高、智慧化程度高，对被测样件的色泽、光照条件等没有特殊要求，但采集数据效率低、数据量小，受被测物体的结构、材质的限制；所以在实际生产过程中，可以结合两种测量方法，获得数据。在此基础上进行复杂曲面的建构、评价、创新性改进和设计。

2.数据的处理

由于测量误差等因素的存在，采集获得的数据往往存在一定的缺陷，因此需要对点云数据进行一些必要的处理。处理工作包括:

1)剔除冗余数据；

2)消除存在的误测或者波动数据； 3)消除测头半径影响； 4) 数据平滑处理；

5)特征提取和数据分割处理。 6）多视图拼合

3.曲面模型重建

实物原型（图11）的三维重构是指在获得较为完整的三维数据以后，通过反求工程CAD软件将采样数据以三维图形的方式显示出来（图12），得到简略的产品结构外形建模技术。不同于普通的三维实体建模技术，逆向工程中的三维模型重建主要是根据前面采集到的数据，通过插值或者拟合方法，构造一个近似模型来逼近原型（图13）。

图11 产品实物 图12 点云数据图 图13 3D造型

重建得到三维CAD模型之后，根据需要对其进行创新设计和评估，然后快速成型出样品，来检验新的CAD模型是否满足设计精度和其他试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至达到实物样件的设计要求。

三、逆向工程常用的软件

在逆向工程应用中，为了满足复杂曲面重建的要求，需要专项的逆向造型软件。比较成熟的是Imageware、Paraform、Geomagic等软件。Imageware软件：由美国EDS公司出品，是最著名的逆向工程软件。1995年，EDS公司进行Imageware软件商业化并将其推广以后，很多著名的国际大公司，像BMW，Audi，GM，Ford，Toyota，等都是Imageware软件的用户。由此可见，Imageware软件在国际上逆向工程行业领域发挥着举足轻重的作用。Geomagic Studio软件：由美国Raindrop公司研发出品的一种三维检测软件和逆向工程软件，该软件能很容易地从扫描所得的点云数据中创建出完美的多边形模型和网格，并能自行更改而构造出多张连续的曲面。软件的应用领域包括了从工业设计到医疗仿真等诸多方面。CopyCAD软件：由英国DELCAM公司出品的功能强大的逆向工程系统软件。该软件主要处理测量数据的曲面造型。CopyCAD软件用户界面非常简单，对于初次学习者或使用者来说这点很占优势。RapidForm软件：由韩国INUS公司出品。RapidForm软件提供了新

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一代运算模式，运算速度加快，增强了扫描品质，大大提高了工作效率。对于高级光学3D扫描仪产生的非常庞大的数据，以前需要配置很高的电脑硬件才能对其进行运算，现在RapidForm软件对其进行的运算使用了更少的系统资源，突显出RapidForm软件的优势。国内逆向工程软件以清华大学、浙江大学等研究较为深入，但软件的稳定性和操作性等方面，不具备和国外商业软件竞争的条件，其功能设置、操作方式符合国内用户的习惯，特别是价格优势在同类软件中有极强的竞争力。

四、逆向工程技术与快速成型技术

逆向工程技术大大缩短了产品的研发周期，以“短、快”的优点使产品能较快地抢占市场的制高点。通过重建得到三维CAD模型之后，根据需要对其进行创新设计和评估，然后快速成型出样品，来检验新的CAD模型是否满足设计精度和其他试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至达到实物样件的设计要求。如果没有通过两个技术的结合，成品的质量将不稳定，将样品上的缺陷全部复制到模具上，其最终产品也继承了样品的全部缺点，造成人力、物力、才力的浪费。现代模具行业的竞争中，时间就是生命。传统方法致命弱点是生成模具零件不具备修改性及重新设计的能力，使得加工周期变长。

利用逆向工程技术进行复杂模具的快速制造，可以很好地解决传统设计、制造周期长、成本高、对工作人员技术要求高等问题，使模具的制造更加简单、方便、快速。另外，该方法很好地保证了模具的制造精度，达到了预期的要求与效果。因此，本方法可以在模具工业领域进行广泛推广应用。 1.上游厂商的实物样件

根据客户提供的实物样件制造出模具或直接加工出产品。从上游厂商接收的技术资料可能并非CAD的模型，而是实实在在的实物样件，通过逆向工程技术与CAD／CAM系统的结合，为客户提供快速模具制造服务。

2.定型的试冲模

模具制造过程中经常需要反复试冲和修改模具型面，测量最终符合要求的模具并反求出其数字化模型，在重复制造该模具时就可运用这一备用数字化存档模型生成加工程序，当一个模具接近它的失效点时，存档数据被取出，重建模具，老的模具立刻被新的替换，可以大大提高模具生产效率，降低模具制造成本。

3. 损坏或磨损模具的还原

4. 引进模具消化吸收、二次创新

对从国外引进的产品及模具技术的消化吸收、二次创新，通过分析引进技术设计意图，结合逆向工程及CAD/CAM 技术，建立数字化模型，进行再设计，克服引进技术的不足，实现引进技术的消化吸收与二次创新。

简言之，反求工程就是通过三坐标测量机或激光扫描机等数据采集设备获取零件的三维数据点，进而利用反求软件对数据点处理，实现由点----线----面的CAD三维模型设计，它是现代测量技术、数控技术、CAD技术、加工技术发展和综合应用的产物，现已成为现代先进设计制造技术的重要组成部分。

参考文献：

1. 徐人平 [快速原型技术与快速设计开发] 化工工业出版社 2008.6

2. 张学昌 [逆向建模技术与产品创新设计] 北京大学出版社 2009.9 3. 刘伟军 孙玉文 [逆向工程原理方法及应用] 机械工业出版社 2008.9 4. 陆雪芳 孙春华 [逆向工程与快速成型技术应用] 机械工业出版社 2009.9

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