逆向工程在模具行业中的应用吴雨.doc

上海应用技术大学研究生课程（论文类）试卷2 0 16 /2 0 17 学年第 1 学期课程名称： 逆向工程与快速制造 课程代码： NX0202008 任课老师： 聂文忠 论文题目： 逆向工程技术在模具行业中的应用 学生姓名： 吴雨 专业学号： 安全工程（166091115） 学院： 机械工程学院 课程（论文）成绩：课程（论文）评分依据（必填）：任课教师签字： 日期：2016年 月 日 课程（论文）题目：逆向工程技术在模具行业中的应用逆向工程技术在模具行业中的应用(吴雨,上海应用技术大学，机械工程学院,2016.11.08)摘 要：在现代工业生产中，(60-90)的工业产品需要使用模具，模具工业已经成为工业发展的基础。由于有的时候商家给我们设计者的仅仅是一个产品要我们完成模具到产品的整个设计流程.如果产品的形状很复杂,而且又主要由曲面构成,这时用传统的方法去分析设计模具会存在很大的困难,此时逆向工程技术在这样的模具设计制造中得到了广泛的应用。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、概述逆向工程技术在模具设计制造中的应用主要包含根据实物样件制造模,模具的修改定型,以样本模具为对象的消化吸收,损坏或磨损模具的还原,回弹检测与质量控制。逆向工程技术是基于实物测量进行反求建模，再结合CAD/CAE/CAM技术实现实物样件的快速建模、分析与制造，其应用前景已经为工程技术人员所关注，在模具行业中体现出了重要的应用价值。但目前，虽然商用的逆向工程软件类型很多，但是在实际设计中，专门的逆向工程设计软件还存在着较大的局限性，在机械设计领域中，集中表现为软件智能化低；建模过程主要依靠人工干预，设计精度不够高；集成化程度低等问题。在具体工程设计中，般采用几种软件配套使用、取长补短的方式。为此，在实际建模过程中，建模人员往往采用“正向+逆向”的建模模式，即：在正向CAD软件的基础上，配备专用的逆向造型软件，如Imageware、Geomagic等。在逆向软件中先构建出模型的特征线，而后把这些线导入到正向CAD系统中，由正向CAD系统来完成曲面的重建。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 ）。CAD出图模具设计三维设计产品功能 产品模具零件加工制造图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 快速成型曲面重构三维设计再设计图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.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近年来，随着激光技术的发展，在扫描中充分运用激光定向性好的特性，采用非接触式测量方法，如光栅法、全息法、深度图象三维测量法、激光三角法等，有效地克服了机械接触式测量如三坐标测量仪中探测杆的补偿和刚性等许多系统误差，使逆向工程发展到了一个新的高度。 利用高速数控铣床的扫描功能，将顶盖表面数据化，测量中必须考虑测量探头的补偿。由于测量误差的存在，得到的表现数据应进行数据处理，包括坏点的去除，测量盲区数据的补齐，数据均化和平滑等。几何建模是逆向工程的关键，建模的过程也就是对数据进行处理的过程。数据处理的目的是获得输入数据的基本特征信息。其通用的手段主要有数据调整、复制、区 域修剪、数据密度修改、数据光顺、噪音去除、尖角保留等，从而得到所需的图形。建立模型的好坏不仅取决于模型对实物形状的拟合程度，也取决于曲面是否光顺 以及曲面的连接是否光滑。曲线和曲面的光顺与否是应该特别注意的问题，一般来讲，满足曲线光顺的条件是：1二阶光滑，即曲率连续；2曲线不存在多余的拐 点；3曲率变化比较均匀。满足曲面光顺的条件是：1构成曲面的关键曲线光顺；2曲面的网格线无多余的拐点；3曲面高斯曲率变化均匀。在实际设计中，目前存在的这些软件还存在着其较大的局限性。在机械设计领域中，集中表现为软件智能化低；点云 数据的处理方面功能弱；建模过程主要依靠人工干预，设计精度不够高；集成化程度低等问题。例如，surfacer软件在读取点云等数据时，系统工作速度较 快，并且能较容易地进行点线的拟合。但通过surfacer进行面的拟合时，软件所提供的工具及面的质量却不如其它的cad软件如pro/e、ug等。在 很多时候，在surfacer里做成的面，还需要到ug等软件中修改。但是，使用pro/e、ug等软件读取点云数据时，却会造成数据庞大的问题，对它们 来说，一次读取如此多的点是比较困难的。在逆向工程技术设计时，需要从设计对象中提取三维数据信息。检测设备的 发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。目前，国内厂家使用较多的有英国、意大利、德国、日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。就测头结构原理来 说，可分为接触式和非接触式两种，其中，接触式测头又可分为硬测头和软测头两种，这种测头与被测头物体直接接触，获取数据信息。非接触式测头则是应用光学 及激光的原理进行的。近几年来，扫描设备有了很大发展。例如，英国雷尼绍公司的cyclon2高速扫描仪，可实现激光测头和接触式扫描头的互换，激光测头 的扫描精度达0.05mm，接触式扫描测头精度可达0.02mm。可对易碎、易变形的形体及精细花纹进行扫描。德国gom公司的atos扫描仪在测量时， 可随意绕被测物体进行移动，利用光带经数据影象处理器得到实物表面数据，扫描范围可达8m8m。atos扫描不仅适于复杂轮廓的扫描，而且可用于汽车、 摩托车内外饰件的造型工作。此外，日本罗兰公司的pix-30网点接触式扫描仪，英国泰勒霍普森公司的talyscan150多传感扫描仪等，集中体现 了检测设备的高速化、廉价化和功能复合化等特点。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CA