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基于逆向工程的模具修復討究及應用
摘要：隨著工業的發展，模具在制造業種的地位日益突出，在航空、汽車、輪船等行業中應用較為廣泛，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
隨著現代工業的發展，模具在制造業中的地位日益突出，在航空、汽車、輪船等行業中應用較為廣泛。優質、高效、低成本一直是制造技術發展追求的永恒的目標，模具作為現代工業不可缺少的工藝裝備，是提高產品質量、提高生產效率、節約能源和原材料、體現模具生產制品技術經濟性地有效手段，已成為當代工業生產的工藝發展方向和產品參與生產競爭的主要關鍵。然而，由于自然磨損及操作人員操作不當等原因，造成模具的磨損或嚴重磨損。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。因此，模具的修復工作顯得尤為重要。
傳統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域進行測量，然后根據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�；谀嫦蚬こ碳夹g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，即實體轉變為CAD模型相關的數字化技術、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，利用數字化測量儀進行測量，得到點云數據，進而對點云數據進行點云預處理、模型重構，然后運用數控機床或快速原型技術對其加工制造，最終實現成品的生成。逆向工程產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 新產品的設計；② 對已有產品的仿制、復制，再現設計意圖；③ 損壞或破損產品的還原和修復；④ 產品的檢測等方面。逆向工程在模具行業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 三維實體模型數字化
三維實體模型數字化是基于逆向工程的模具修復過程中的首要環節，其測量的數據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側，加上其結構本身比較復雜，目前較為常見的數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CT法由于成本太高，不切合生產實際，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模具型腔結構制成模具型腔的陽�；驑悠妨慵缓罄萌鴺藴y量儀、光柵測量儀及激光測量儀等數字化測量方式對模具型腔陽�；驑悠妨慵喞M行數字化采集獲取其點云數據，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據模型，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。
模型輪廓數字化采集步驟為：
(1)選定測量部位
根據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，確定模型的磨損區域。選擇測量部位時，在選擇被測件的磨損區域同時，還需選擇未磨損或磨損區域較輕的區域以及具有基本特征的區域。這些區域的點云將用于后續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 數字化設備的測量精度應該高于后續分析的精度，一般來說，進行零件的磨損規律研究，需要高精度的測量系統。
(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，無法一次完成全部型面的測量；② 對于大型輪廓模型，由于受測量系統范圍限制，必須實行分區域測量。在對模型進行三維模型數字化之前，首先要分析被測對象的形狀、需要掃描的區域，并結合所選測量設備的特征參數(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
根據已選定的數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 點云數據預處理
在三維實體模型數字化過程中，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據誤差，尤其是在尖銳邊緣和產品邊界附近的測量數據誤差。因此，在對模具模型進行三維數字化之后，有必對離散點云數據進行預處理，獲得滿意的數據。數據預處理的目的是獲得完整、準確的測量數據以方便后續的造型工作。數據預處理主要包括多視點云拼合、點云數據濾波及平滑、數據精簡和數據分塊等幾個方面。
(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據，而是把模型表面分為多個局部相互重疊的子區域，從多個視覺角度獲取各個子區域的表面信息。將這些子區域的點云通過變換或統一到同一坐標系中，稱為多視點云拼合。
多視點云拼合獲得的數字化模型應該滿足 ：① 磨損型面數據完整；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測量數據的直接拼合和事后數據拼合處理兩種方法。通過專用測量裝置實現測量數據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據點進行運動補償進而實現點云數據的拼合。
事后數據拼合處理分為數據的直接拼合和基于圖形的拼合兩種：① 數據的直接拼合就是直接對數據點集進行操作，實現點數據的拼合，以獲得完整的數據信息和一致的數據結構，重構出原型；② 基于圖形的多視對齊，就是對各視圖數據進行局部造型，最后再拼合這些幾何圖形。
(2)點云數據過濾及平滑
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“疵點”(extraneous data) ，并往往帶有許多無用信息，這些噪聲數據將直接影響重建曲面的品質。數據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據的形貌，中值濾波法則在消除數據的毛刺方面效果較好。在實際應用時，可以根據點云質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)點云數據精簡
在三維實體模型數字化過程中，將會得到海量點云數據，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，逆向工程中測量數據的精簡是重要的研究內容之一 。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；網格化“點云”可采用等分布密度法和最小包圍區域進行數據縮減。另外，還有基于灰色系統理論的數據濾波后產生的空穴填補辦法和基于面密度概念的數據簡化方法 。
(4)點云數據分塊
對于模具樣件，其外表輪廓往往由多張曲面混合組成。點云分塊是根據實體外形曲面的自取面類型，將屬于同一自取面類型的數據成組，將全部數據劃分為代表不同類型的數據域，模型重構時，再經過曲面的過渡、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方法首先根據相同類型的邊界點連接形成邊界環，判斷點集是否屬于環內，實現點云分塊�；诿娴姆椒ㄊ菄L試推出具有相同曲面性質的點，然后進一步決定所屬的曲面，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，模型重構是利用數字化測量儀所獲得的點云數據，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、最復雜的環節 。常見的模型重構方法有兩種：①先將數據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 直接對測量數據點進行曲面片擬合，再經過對曲面片的過渡、拼接、裁剪等操作完成曲面模型的構建。另外還有基于產品幾何特征及約束特征的模型重建方法，該方法可以根據模型的整體屬性，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的三維彩色數字化測量系統——3D CaMega光學掃描儀。該系統采用了光學照相式的快速攝影方式，與高精密數控旋轉臺配合使用，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據的三維彩色數字圖像。
針對該模具實例，按照型腔結構制作出一沖壓件，利用三維數字化測量系統獲得沖壓件外表面輪廓的模型三維點云數據。利用逆向工程軟件Geomigic Studio對獲得的點云數據進行多視點云拼合、數據濾波、平滑處理、數據精簡，得到較為滿意的數據，接著對點云數據進行分割，把屬于同一類型的數據點劃分到同一區域，對劃分的區域利用曲面重構技術選取特征截面、建立特征線、特征網格，再對網格線進行光順，最后由曲線擬合成曲面。根據所顯示的磨損程度，制定模具是修復方案，實現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、先進的數據測量技術、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，從而提高了產品的競爭性。
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