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1 引言
在产品的开发和制造过程中，许多产品并非由CAD模型描述。设计和制造者面对的是实物样件，有时甚至可能连参考的图纸也没有，而客户还要求对样件进行优化改进。为了适应先进制造技术的发展。需要将这些实物转化为CAD模型。使之能利用CAD/CAM、RPM、CIMS及PDM等先进技术进行处理或管理。逆向工程是通过各种测量手段及三维几何建模方法，对原有实物模型进行几何形状的反求，重新建立实物的三维数字化模型。从而实现产品模具的设计与制造。
2 传统模具的设计制造方法
图1为某机床上的一个零件，材料为ZG40Cr，制造工艺为熔模精密铸造。模具的传统制造方法一般是使用立体雕刻机或液压三次元靠模铣床制作出成等比例的模具，再进行生产。这种方法无法建立产品尺寸图档，也无法对产品进行修改，而且此类方法手工修模量大，间隙不均匀。需反复修模试模，质量不稳定，加工周期长，对后期的数控加工及检验均带来很大的困难。由于实物铸造模型本身所存在的收缩及偏差，此类模具所得样件不可避免地存在缺陷。有时也会利用实物样件直接进行仿形加工，而仿形则会将样件上的损坏或磨损等缺陷全部复制到模具上，其最终产品也继承了样件的全部缺点，造成产品的外观性差、尺寸精度及使用性能达不到要求。尤其重要的是传统方法所生成的模具型腔不具备修改性及重新设计的能力，因此此类方法已渐渐为新型数字化的逆向工程系统所取代。
3 基于CAD/CAM系统的模具设计制造方法
采用CAD/CAM体化技术可有效地改善传统方法的不足，由CAD建立的产品模型可以直接生成数控指令。通过DNC接口实现与机床间的数据通讯，使生产中由用外形模拟传递改变为用数据传递，使设计与制造环节直接沟通。而且可以在CAD系统中进行外观分析、产品装配、检查配合部件的干涉，对数控加工过程进行仿真，检查加工过程和干涉，实现产品的设计和修改。可以大大降低手工修模量，缩短新产品研制周期，提高产品质量。
逆向工程技术主要包括两方面内容：数字化技术和曲面重构技术。数字化技术是利用三维扫描测量仪采集实物或模型表面数据；曲面重建技术是根据测量所得到的几何表面的一系列点数据，构造出型体曲线、曲面，最终重构三维模型。
4 逆向设计方法及过程
4.1 CAD/CAM软件选择
目前功能较为完善的商品化CAD/CAM
集成系统软件较多，现选择Imageware公司的Surfacer及PTC公司的Pro/E进行逆向设计，具体内容包括：①数字化点的输入与处理，包括数据输入与数字化点数据的变换与处理；②划分出二次曲面的区域。构造模型特征；③针对处理完成的点云数据，建立零件的三维造型；④零件三维造型和实测点云的检测；⑤生成零件的压铸模实体模型；⑥模具的制造及优化处理
4.2 三维数据采集
为了方便零件的扫描和保证扫描的精确性，需对零件做必要的前期准备，如贴参考点、物体表面喷涂显像剂和仪器与软件校准等。在此选用三维光扫描抄数系统，通过被测物体上的标记特征来完成数据的自动拼合，直接从扫描头得到三维测量数据。系统采用全新的自定位技术，扫描方式为十字型激光扫描，测量精度为0.1mm/0.5m，实时完成数据处理，直接生成三角面，以.stl格式数据输出，保证无冗余数据和数据重叠。使用三维激光扫描系统对零件整个部分多个角度的不同方位进行扫描。扫描完成后，经过点云对齐、三角化、光顺和稀化，得到的零件外形点云文件（见图2）。接下来输出*.stl文件，以便Imageware软件对点云进行后序处理。
4.3 三维几何建模
几何建模是逆向工程的关键，构建曲面是几何建模的关键。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、区域修剪、数据密度修改、数据光顺、杂点去除、尖角保留等，从而得到所需的图形。
用Imageware软件调入扫描所得点云文件，并依据点云的特征。做出一些辅助的基准，以便把零件点云进行方位对齐，为提取截面線做准备。点云数据中含有许多杂点，因此需把杂点过滤掉，并对点云数据进行数据平滑、数据清理、补齐遗失点等优化处理，删除不必要的数据点，适当降低点云的密度，可以加快计算机处理的速度，构建零件对称基准面等。得到零件的光顺曲线网格图形如图3所示。
特征线的提取是整个模型重构的关键。根据零件的外形特点，划分出二次曲面的区域，如内孔、凹槽、平面、圆柱面等。并对零件点云进行分割，把这些二次曲面拟合构造内孔、凹槽、平面或圆柱面，也可直接做出特征。平面可以用三点或两相交直线来确定，孔或圆柱面则以截面线和矢量来确定．通过测量实体模型并结合扫描数据生成。对于自由曲面．需构造出曲面的特征线。先对零件点云做出必要截面线，然后剔除截面点云的杂点进行必要的光顺，最后把截面点云拟合成曲线，以便构造自由曲面。
打开Pro/E软件，针对处理完成的点云数据，通过刨建曲面、曲面编辑得到完整曲面，并进行布尔运算，在Pro/PART模块下完成零件的三维实体造型，如图4所示。
完成零件的三维造型后，将利用Pro/E
软件重构的三维造型读入Imageware软件中。比较分析最终重构的三维造型和扫描的点云之间的偏差，通过使用云图将差异显示出来，分析曲面与点云之间的差异值，从而检测逆向扫描测量的精确性。
建立零件的三维模型后，针对零件上需加工的部位增加1.5m左右的加工余量，将孔位封起。压铸模实体模型还要考虑收缩率，一般为5‰，运用Pro/E可以自动增加收缩率，也可通过改变比例来实现。进行外观修整，如圆角、倒角、拔模角等处理后，得到零件压铸模实体模型，如图5所示。
4.4 模具结构设计与制造
压铸模实体模型建成后，可进一步作模具分型设计，生成型模凹槽、侧抽及镶件等，以便进行模具的结构设计：①推出机构设计；②溢流槽、排气口设计；③浇口、流道设计；④抽芯机构及位设计；⑤模具常规零件设计等。应用Pro/E软件的Assmbly和Modei模块进行模具设计，生成模具的型芯和型腔。使用干涉检测，仿真靠模开起顺序。运用Pro/E所提供的加工模块Pro/Manufacturing对模具型腔进行处理，将压铸模实体模型汇入Pro/E软件的Manufacturing模块中进行NC加工程序的制作，生成粗精加工程序。由于数控机床的加工过程中要避免使机床发生碰撞，同时还需避免产生过切或错误的刀具轨迹，为此须进行刀位验证，来判断刀具轨迹是否连续、进退刀、走刀路线是否合理。加工过程的动态图形仿真验证采用实体造型技术建立零件的毛坯、夹具和刀具在加工过程中的实体模型，使用快速布尔运算。最后采用真实感图形显示技术，把加工过程动态地显示出来，动态仿真显示刀具加工轨迹。将生成NC加工的G代码输入三轴（或五轴）加工中心对模具进行加工；对模具电极进行处理，生成电极加工程序，对模具电极进行加工等。
4.5 模具结构优化及改进
使用陶瓷模精密铸造方法通过增加2.2％尺寸增加率所得的主模型（蜡型成型模）-射蜡-组树-沾浆与淋砂-脱蜡与烧成，再进行浇注，得到零件铸造毛坯。将前面创建好的在Pro/E软件中完成的三维造型汇入Pro/E的Manufacturing模块，建立新的Pro/NC文件，对毛坯进行加工。根据加工结果与零件的三维数据进行比对，针对比对结果对模具相对特征部位进行有效改进和处理，使修改后所加工的产品更加符合客户要求。
5 结束语
利用三维激光扫描抄数作为获取空间三维数据的手段，组合使用逆向工程软件对获取测量数据进行处理、三维数字化模型的构建、模具的检测和修改均起到了很好的成效，此应用使产品的消化吸收和二次开发工作准确快捷。逆向工程结合CAD/CAM技术和NC机床对模具设计制造起到很大的促进作用，缩短了产品开发周期，并且实现了产品原型设计生产与模具设计制造的系统集成，使其在今后的模具开发中发挥更大的作用。
E-works
在产品的开发和制造过程中，许多产品并非由CAD模型描述。设计和制造者面对的是实物样件，有时甚至可能连参考的图纸也没有，而客户还要求对样件进行优化改进。为了适应先进制造技术的发展。需要将这些实物转化为CAD模型。使之能利用CAD/CAM、RPM、CIMS及PDM等先进技术进行处理或管理。逆向工程是通过各种测量手段及三维几何建模方法，对原有实物模型进行几何形状的反求，重新建立实物的三维数字化模型。从而实现产品模具的设计与制造。
2 传统模具的设计制造方法
图1为某机床上的一个零件，材料为ZG40Cr，制造工艺为熔模精密铸造。模具的传统制造方法一般是使用立体雕刻机或液压三次元靠模铣床制作出成等比例的模具，再进行生产。这种方法无法建立产品尺寸图档，也无法对产品进行修改，而且此类方法手工修模量大，间隙不均匀。需反复修模试模，质量不稳定，加工周期长，对后期的数控加工及检验均带来很大的困难。由于实物铸造模型本身所存在的收缩及偏差，此类模具所得样件不可避免地存在缺陷。有时也会利用实物样件直接进行仿形加工，而仿形则会将样件上的损坏或磨损等缺陷全部复制到模具上，其最终产品也继承了样件的全部缺点，造成产品的外观性差、尺寸精度及使用性能达不到要求。尤其重要的是传统方法所生成的模具型腔不具备修改性及重新设计的能力，因此此类方法已渐渐为新型数字化的逆向工程系统所取代。
3 基于CAD/CAM系统的模具设计制造方法
采用CAD/CAM体化技术可有效地改善传统方法的不足，由CAD建立的产品模型可以直接生成数控指令。通过DNC接口实现与机床间的数据通讯，使生产中由用外形模拟传递改变为用数据传递，使设计与制造环节直接沟通。而且可以在CAD系统中进行外观分析、产品装配、检查配合部件的干涉，对数控加工过程进行仿真，检查加工过程和干涉，实现产品的设计和修改。可以大大降低手工修模量，缩短新产品研制周期，提高产品质量。
逆向工程技术主要包括两方面内容：数字化技术和曲面重构技术。数字化技术是利用三维扫描测量仪采集实物或模型表面数据；曲面重建技术是根据测量所得到的几何表面的一系列点数据，构造出型体曲线、曲面，最终重构三维模型。
4 逆向设计方法及过程
4.1 CAD/CAM软件选择
目前功能较为完善的商品化CAD/CAM
集成系统软件较多，现选择Imageware公司的Surfacer及PTC公司的Pro/E进行逆向设计，具体内容包括：①数字化点的输入与处理，包括数据输入与数字化点数据的变换与处理；②划分出二次曲面的区域。构造模型特征；③针对处理完成的点云数据，建立零件的三维造型；④零件三维造型和实测点云的检测；⑤生成零件的压铸模实体模型；⑥模具的制造及优化处理
4.2 三维数据采集
为了方便零件的扫描和保证扫描的精确性，需对零件做必要的前期准备，如贴参考点、物体表面喷涂显像剂和仪器与软件校准等。在此选用三维光扫描抄数系统，通过被测物体上的标记特征来完成数据的自动拼合，直接从扫描头得到三维测量数据。系统采用全新的自定位技术，扫描方式为十字型激光扫描，测量精度为0.1mm/0.5m，实时完成数据处理，直接生成三角面，以.stl格式数据输出，保证无冗余数据和数据重叠。使用三维激光扫描系统对零件整个部分多个角度的不同方位进行扫描。扫描完成后，经过点云对齐、三角化、光顺和稀化，得到的零件外形点云文件（见图2）。接下来输出*.stl文件，以便Imageware软件对点云进行后序处理。
4.3 三维几何建模
几何建模是逆向工程的关键，构建曲面是几何建模的关键。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、区域修剪、数据密度修改、数据光顺、杂点去除、尖角保留等，从而得到所需的图形。
用Imageware软件调入扫描所得点云文件，并依据点云的特征。做出一些辅助的基准，以便把零件点云进行方位对齐，为提取截面線做准备。点云数据中含有许多杂点，因此需把杂点过滤掉，并对点云数据进行数据平滑、数据清理、补齐遗失点等优化处理，删除不必要的数据点，适当降低点云的密度，可以加快计算机处理的速度，构建零件对称基准面等。得到零件的光顺曲线网格图形如图3所示。
特征线的提取是整个模型重构的关键。根据零件的外形特点，划分出二次曲面的区域，如内孔、凹槽、平面、圆柱面等。并对零件点云进行分割，把这些二次曲面拟合构造内孔、凹槽、平面或圆柱面，也可直接做出特征。平面可以用三点或两相交直线来确定，孔或圆柱面则以截面线和矢量来确定．通过测量实体模型并结合扫描数据生成。对于自由曲面．需构造出曲面的特征线。先对零件点云做出必要截面线，然后剔除截面点云的杂点进行必要的光顺，最后把截面点云拟合成曲线，以便构造自由曲面。
打开Pro/E软件，针对处理完成的点云数据，通过刨建曲面、曲面编辑得到完整曲面，并进行布尔运算，在Pro/PART模块下完成零件的三维实体造型，如图4所示。
完成零件的三维造型后，将利用Pro/E
软件重构的三维造型读入Imageware软件中。比较分析最终重构的三维造型和扫描的点云之间的偏差，通过使用云图将差异显示出来，分析曲面与点云之间的差异值，从而检测逆向扫描测量的精确性。
建立零件的三维模型后，针对零件上需加工的部位增加1.5m左右的加工余量，将孔位封起。压铸模实体模型还要考虑收缩率，一般为5‰，运用Pro/E可以自动增加收缩率，也可通过改变比例来实现。进行外观修整，如圆角、倒角、拔模角等处理后，得到零件压铸模实体模型，如图5所示。
4.4 模具结构设计与制造
压铸模实体模型建成后，可进一步作模具分型设计，生成型模凹槽、侧抽及镶件等，以便进行模具的结构设计：①推出机构设计；②溢流槽、排气口设计；③浇口、流道设计；④抽芯机构及位设计；⑤模具常规零件设计等。应用Pro/E软件的Assmbly和Modei模块进行模具设计，生成模具的型芯和型腔。使用干涉检测，仿真靠模开起顺序。运用Pro/E所提供的加工模块Pro/Manufacturing对模具型腔进行处理，将压铸模实体模型汇入Pro/E软件的Manufacturing模块中进行NC加工程序的制作，生成粗精加工程序。由于数控机床的加工过程中要避免使机床发生碰撞，同时还需避免产生过切或错误的刀具轨迹，为此须进行刀位验证，来判断刀具轨迹是否连续、进退刀、走刀路线是否合理。加工过程的动态图形仿真验证采用实体造型技术建立零件的毛坯、夹具和刀具在加工过程中的实体模型，使用快速布尔运算。最后采用真实感图形显示技术，把加工过程动态地显示出来，动态仿真显示刀具加工轨迹。将生成NC加工的G代码输入三轴（或五轴）加工中心对模具进行加工；对模具电极进行处理，生成电极加工程序，对模具电极进行加工等。
4.5 模具结构优化及改进
使用陶瓷模精密铸造方法通过增加2.2％尺寸增加率所得的主模型（蜡型成型模）-射蜡-组树-沾浆与淋砂-脱蜡与烧成，再进行浇注，得到零件铸造毛坯。将前面创建好的在Pro/E软件中完成的三维造型汇入Pro/E的Manufacturing模块，建立新的Pro/NC文件，对毛坯进行加工。根据加工结果与零件的三维数据进行比对，针对比对结果对模具相对特征部位进行有效改进和处理，使修改后所加工的产品更加符合客户要求。
5 结束语
利用三维激光扫描抄数作为获取空间三维数据的手段，组合使用逆向工程软件对获取测量数据进行处理、三维数字化模型的构建、模具的检测和修改均起到了很好的成效，此应用使产品的消化吸收和二次开发工作准确快捷。逆向工程结合CAD/CAM技术和NC机床对模具设计制造起到很大的促进作用，缩短了产品开发周期，并且实现了产品原型设计生产与模具设计制造的系统集成，使其在今后的模具开发中发挥更大的作用。
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