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基于逆向工程的模具修復討究及應用
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)中應用較為廣泛，因此對模具的修復工作也顯得極為重要。論文基于逆向工程技術對模具修復工作進行研究。首先，簡單介紹了逆向工程的概念及應用領域；其次，對逆向工程在模具修復中的關鍵技術進行了詳細的闡述；最后通過對一汽車沖壓件模具修復工作為例，驗證了逆向工程技術在模具修復中的可行性。為模具修復工作實現(xiàn)高精度、高效率、低成本提供了指導意義。
關鍵詞：逆向工程；模具修復；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)中應用較為廣泛。優(yōu)質(zhì)、高效、低成本一直是制造技術發(fā)展追求的永恒的目標，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)制品技術經(jīng)濟性地有效手段，已成為當代工業(yè)生產(chǎn)的工藝發(fā)展方向和產(chǎn)品參與生產(chǎn)競爭的主要關鍵。然而，由于自然磨損及操作人員操作不當?shù)仍颍斐赡＞叩哪p或嚴重磨損。并且對于進口的模具，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，嚴重影響生產(chǎn)。因此，模具的修復工作顯得尤為重要。
傳統(tǒng)的模具修復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)域進行測量，然后根據(jù)模具磨損程度制定修復方案。這些模具修復方式成本高、效率低、修復精度難以達到要求，遠遠不能滿足現(xiàn)代模具的需要，并且對于結構較為復雜的模具更是束手無策。基于逆向工程技術的模具修復是一種較為先進的模具修復方式，并在模具修復領域有著良好的發(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，即實體轉變?yōu)镃AD模型相關的數(shù)字化技術、幾何模型重構技術、模型制造技術的總稱 。即針對物品或樣件，利用數(shù)字化測量儀進行測量，得到點云數(shù)據(jù)，進而對點云數(shù)據(jù)進行點云預處理、模型重構，然后運用數(shù)控機床或快速原型技術對其加工制造，最終實現(xiàn)成品的生成。逆向工程產(chǎn)品設計下游向設計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，在工程領域中，幾何形狀反求得到廣泛的應用。
逆向工程技術應用極為廣泛，主要應用于：① 新產(chǎn)品的設計；② 對已有產(chǎn)品的仿制、復制，再現(xiàn)設計意圖；③ 損壞或破損產(chǎn)品的還原和修復；④ 產(chǎn)品的檢測等方面。逆向工程在模具行業(yè)的應用主要是模具設計制造和模具的修復，即在只有設計樣件而沒有設計圖紙和設計文檔的情況下，利用逆向工程技術對原有的模具在結構方面進行創(chuàng)新設計和對磨損的模具磨損部位修復。
2 逆向工程在模具修復中的關鍵技術
2．1 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的效果。由于模具的型腔處于模具內(nèi)側，加上其結構本身比較復雜，目前較為常見的數(shù)字化測量設備如激光式、結構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行修復。陰陽模法就是利用油泥或其他材料根據(jù)模具型腔結構制成模具型腔的陽�；驑悠妨慵�，然后利用三坐標測量儀、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行點云預處理得到滿意的點云數(shù)據(jù)模型，并對其進行曲面模型重構，待模型重構完成后再利用三維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)樣品結構和用戶的具體要求，分析樣件需要重點測量的部位。在對模型進行三維實體模型數(shù)字化之前，應對模型輪廓以及模型的特征進行詳細的分析，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)字化測量方法時應注意一下因素：① 對于磨損面積較大的模具，應選擇測量速度較快的數(shù)字化設備，提高測量效率；② 對于結構復雜的模具，應選用課測量復雜輪廓的測量設備；③ 數(shù)字化設備的測量精度應該高于后續(xù)分析的精度，一般來說，進行零件的磨損規(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無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：① 復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；② 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，并結合所選測量設備的特征參數(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案對擬定好的測量部位進行測量。
2．2 點云數(shù)據(jù)預處理
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，在對模具模型進行三維數(shù)字化之后，有必對離散點云數(shù)據(jù)進行預處理，獲得滿意的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預處理的目的是獲得完整、準確的測量數(shù)據(jù)以方便后續(xù)的造型工作。數(shù)據(jù)預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)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齊的精度達到磨損分析的要求。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動角度，并通過測量軟件直接對數(shù)據(jù)點進行運動補償進而實現(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：① 數(shù)據(jù)的直接拼合就是直接對數(shù)據(jù)點集進行操作，實現(xiàn)點數(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)結構，重構出原型；② 基于圖形的多視對齊，就是對各視圖數(shù)據(jù)進行局部造型，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，常用的方法有標準高斯法、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。在實際應用時，可以根據(jù)點云質(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�；诿娴姆椒ㄊ菄L試推出具有相同曲面性質(zhì)的點，然后進一步?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
在逆向工程中，模型重構是利用數(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建一個近似實體原型的模型。模型重構是整個逆向工程中最關鍵、最復雜的環(huán)節(jié) 。常見的模型重構方法有兩種：①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建成曲面；② 直接對測量數(shù)據(jù)點進行曲面片擬合，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，較清晰地表達模型的集合特征之間的約束關系。
3 應用實例
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光學掃描儀。該系統(tǒng)采用了光學照相式的快速攝影方式，與高精密數(shù)控旋轉臺配合使用，從不同方位自動對被測物件進行圖像采集；經(jīng)三維圖像處理軟件的計算，自動生成具備各像素對應點空間坐標和色彩復合數(shù)據(jù)的三維彩色數(shù)字圖像。
針對該模具實例，按照型腔結構制作出一沖壓件，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)進行分割，把屬于同一類型的數(shù)據(jù)點劃分到同一區(qū)域，對劃分的區(qū)域利用曲面重構技術選取特征截面、建立特征線、特征網(wǎng)格，再對網(wǎng)格線進行光順，最后由曲線擬合成曲面。根據(jù)所顯示的磨損程度，制定模具是修復方案，實現(xiàn)對模具的精確修復工作。
4 結束語
實踐證明，逆向工程為模具修復技術提供了一種新的技術手段。逆向工程技術使模具修復工作和先進的計算機輔助設計技術、先進的數(shù)據(jù)測量技術、快速制造技術緊密結合，提高模具修復精度、效率，大大降低模具的成本，延長了模具是使用壽命和工作周期，從而提高了產(chǎn)品的競爭性。
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