逆向工程在模具行業(yè)中的應(yīng)用吳雨.doc

上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)研究生課程（論文類）試卷2 0 16 /2 0 17 學(xué)年第 1 學(xué)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(shù)在模具行業(yè)中的應(yīng)用 學(xué)生姓名： 吳雨 專業(yè)學(xué)號： 安全工程（166091115） 學(xué)院： 機(jī)械工程學(xué)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(shù)在模具行業(yè)中的應(yīng)用逆向工程技術(shù)在模具行業(yè)中的應(yīng)用(吳雨,上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)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(chǔ)。由于有的時候商家給我們設(shè)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(shè)計流程.如果產(chǎn)品的形狀很復(fù)雜,而且又主要由曲面構(gòu)成,這時用傳統(tǒng)的方法去分析設(shè)計模具會存在很大的困難,此時逆向工程技術(shù)在這樣的模具設(shè)計制造中得到了廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：正向工程；逆向工程；CAD/CAM/CAE；三坐標(biāo)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(shù)在模具設(shè)計制造中的應(yīng)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(zhì)量控制。逆向工程技術(shù)是基于實物測量進(jìn)行反求建模，再結(jié)合CAD/CAE/CAM技術(shù)實現(xiàn)實物樣件的快速建模、分析與制造，其應(yīng)用前景已經(jīng)為工程技術(shù)人員所關(guān)注，在模具行業(yè)中體現(xiàn)出了重要的應(yīng)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(shè)計中，專門的逆向工程設(shè)計軟件還存在著較大的局限性，在機(jī)械設(shè)計領(lǐng)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(yù)，設(shè)計精度不夠高；集成化程度低等問題。在具體工程設(shè)計中，般采用幾種軟件配套使用、取長補(bǔ)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(chǔ)上，配備專用的逆向造型軟件，如Imageware、Geomagic等。在逆向軟件中先構(gòu)建出模型的特征線，而后把這些線導(dǎo)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(shè)計與制造，其過程是設(shè)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(shè)計出合適的模具，然后通過數(shù)控機(jī)床加工模具（圖1 ）。CAD出圖模具設(shè)計三維設(shè)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(shè)計與制造，其過程是利用測量設(shè)備對產(chǎn)品實物的數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再提取產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)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(fù)制出來，找出缺陷再對數(shù)據(jù)重新設(shè)計，達(dá)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(gòu)三維設(shè)計再設(shè)計圖2 逆向工程的流程從逆向工程技術(shù)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(shè)計人員無法得到準(zhǔn)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(shù)實現(xiàn)實物反求.二、逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)逆向工程技術(shù)的研究對象為產(chǎn)品實物，對于一些具有復(fù)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?qū)嵨?，那么，設(shè)計人員怎樣將這些實物信息轉(zhuǎn)化為CAD模型，作為模具的設(shè)計與制造的依據(jù)呢？關(guān)鍵技術(shù)主要包括三個部分：1.實物的數(shù)據(jù)采集(形成點(diǎn)云數(shù)據(jù))及使用的設(shè)備所謂數(shù)據(jù)采集，就是透過特定的測量設(shè)備和測量方法，獲取零件表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，即形成數(shù)據(jù)點(diǎn)云。在反求工程中常采用三坐標(biāo)測量機(jī)（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(zhǔn)確地獲取“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)。如下圖常用的設(shè)備： 圖8 三坐標(biāo)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(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜的樣件，效率高，獲得的密集點(diǎn)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(shù)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(fù)擔(dān)。接觸式測量的典型代表是三坐標(biāo)測量機(jī)，它綜合運(yùn)用了電子，計算機(jī)，光學(xué)和數(shù)控等先進(jìn)技術(shù)，是目前最應(yīng)用最廣泛的測量方法，他是利用測量機(jī)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(jié)構(gòu)、材質(zhì)的限制；所以在實際生產(chǎn)過程中，可以結(jié)合兩種測量方法，獲得數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)雜曲面的建構(gòu)、評價、創(chuàng)新性改進(jìn)和設(shè)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(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)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(gòu)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(jié)構(gòu)外形建模技術(shù)。不同于普通的三維實體建模技術(shù)，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(gòu)造一個近似模型來逼近原型（圖13）。 圖11 產(chǎn)品實物 圖12 點(diǎn)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(jìn)行創(chuàng)新設(shè)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(shè)計精度和其他試驗性能指標(biāo)的要求，對不滿足要求者重復(fù)以上過程，直至達(dá)到實物樣件的設(shè)計要求。三、逆向工程常用的軟件近年來，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，在掃描中充分運(yùn)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(jī)械接觸式測量如三坐標(biāo)測量儀中探測桿的補(bǔ)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(bǔ)償。由于測量誤差的存在，得到的表現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括壞點(diǎn)的去除，測量盲區(qū)數(shù)據(jù)的補(bǔ)齊，數(shù)據(jù)均化和平滑等。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(jìn)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(fù)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(yīng)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(diǎn)；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(diǎn)；3曲面高斯曲率變化均勻。在實際設(shè)計中，目前存在的這些軟件還存在著其較大的局限性。在機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域中，集中表現(xiàn)為軟件智能化低；點(diǎn)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(yù)，設(shè)計精度不夠高；集成化程度低等問題。例如，surfacer軟件在讀取點(diǎn)云等數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)工作速度較 快，并且能較容易地進(jìn)行點(diǎn)線的擬合。但通過surfacer進(jìn)行面的擬合時，軟件所提供的工具及面的質(zhì)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(diǎn)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(diǎn)是比較困難的。在逆向工程技術(shù)設(shè)計時，需要從設(shè)計對象中提取三維數(shù)據(jù)信息。檢測設(shè)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(nèi)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(biāo)測量機(jī)和三維掃描儀。就測頭結(jié)構(gòu)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(yīng)用光學(xué) 及激光的原理進(jìn)行的。近幾年來，掃描設(shè)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(dá)0.05mm，接觸式掃描測頭精度可達(dá)0.02mm?？蓪σ姿椤⒁鬃冃蔚男误w及精細(xì)花紋進(jìn)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(jìn)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(dá)8m8m。atos掃描不僅適于復(fù)雜輪廓的掃描，而且可用于汽車、 摩托車內(nèi)外飾件的造型工作。此外，日本羅蘭公司的pix-30網(wǎng)點(diǎn)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(shè)備的高速化、廉價化和功能復(fù)合化等特點(diǎn)。在逆向工程應(yīng)用中，為了滿足復(fù)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(jìn)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(lǐng)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(diǎn)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(gòu)造出多張連續(xù)的曲面。軟件的應(yīng)用領(lǐng)域包括了從工業(yè)設(shè)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(qiáng)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(xué)習(xí)者或使用者來說這點(diǎn)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(yùn)算模式，運(yùn)算速度加快，增強(qiáng)了掃描品質(zhì)，大大提高了工作效率。對于高級光學(xué)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(jìn)行運(yùn)算，現(xiàn)在RapidForm軟件對其進(jìn)行的運(yùn)算使用了更少的系統(tǒng)資源，突顯出RapidForm軟件的優(yōu)勢。國內(nèi)逆向工程軟件以清華大學(xué)、浙江大學(xué)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(shè)置、操作方式符合國內(nèi)用戶的習(xí)慣，特別是價格優(yōu)勢在同類軟件中有極強(qiáng)的競爭力。四、逆向工程技術(shù)與快速成型技術(shù)逆向工程技術(shù)大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，以“短、快”的優(yōu)點(diǎn)使產(chǎn)品能較快地?fù)屨际袌龅闹聘唿c(diǎn)。通過重建得到三維CAD模型之后，根據(jù)需要對其進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)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(shè)計精度和其他試驗性能指標(biāo)的要求，對不滿足要求者重復(fù)以上過程，直至達(dá)到實物樣件的設(shè)計要求。如果沒有通過兩個技術(shù)的結(jié)合，成品的質(zhì)量將不穩(wěn)定，將樣品上的缺陷全部復(fù)制到模具上，其最終產(chǎn)品也繼承了樣品的全部缺點(diǎn)，造成人力、物力、才力的浪費(fèi)。現(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(diǎn)是生成模具零件不具備修改性及重新設(shè)計的能力，使得加工周期變長。利用逆向工程技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜模具的快速制造，可以很好地解決傳統(tǒng)設(shè)計、制造周期長、成本高、對工作人員技術(shù)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(dá)到了預(yù)期的要求與效果。因此，本方法可以在模具工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行廣泛推廣應(yīng)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(shù)資料可能并非CA