门头沟沙盘模型新技术—逆向工程

在开发模型产品的时候，工程师广泛使用几何造型。很多时候。模型设计制造公司拿到的资料不是CAD模型，往往是复杂的自由曲线曲面实物样品，传统的模型制造方法周期太长，成本高，模型制造市场瞬息万变，用逆向工程的思维可以解决这一问题。越来越多的人在研究逆向工程。传统模型设计主要研究功能，然后设计图样、图样设计经过繁琐的工序完成产品制造品，逆向工程利用现有水平，简化工艺流程，快速完成样品制作。 　　

在塑料产品的开发过程中，几何造型技术已使用得相当广泛。但由于种种原因，模具企业从厂商接受的技术资料往往并非CAD的沙盘模型，而是由复杂的自由曲线曲面组成的实物样件，若采用传统的方法设计制造产品，生产周期长，成本高，无法应对瞬息万变的塑料品市场，而逆向工程(Reverse Engineering)为解决这一难题提供了便利。因此逆向工程作为一门新兴学科越来越受到人们的关注和重视。传统的设计方法是以功能为基础，通过方案设计、图样设计及产品制造、装配，以获取产品实物作为终目的，而逆向工程设计是针对现有工件，尤其是复杂不规则的自由曲面，利用3D数字化测量仪，准确、快速地测量出轮廓坐标值，并构建曲面，经编辑、修改后，转至一般的CAD/CAM系统，将原有的实物或影像转化为计算机上的三维数字化模型，再由CAM产生刀具的NC加工路径并传送至CNC机床，制作所需模具，或者生成STL文件，用快速原型技术( RP) 将样品模型制作出来。 　　 

根据样品的三维数字化，可以反复修改模具型面，并自动生成NC加工程序，从而大大提高模具生产效率，降低模具制造成本。逆向工程技术在我国，特别是在注塑行业有着十分广阔的应用前景。

1.逆向工程的结构体系 　　

目前逆向工程的工作流程如图1所示，主要由三部分组成：产品实物外形的数字化、CAD模型重建、产品或沙盘模型制造。逆向工程的关键技术是数据采集、数据处理和模型的重建。 　

1.1数据处理 　　

对于获取的一系列点云数据在进行CAD模型重建前，必须进行格式的转换、噪声滤除、平滑、对探测头半径补偿等处理。

1.2 重建 　　

将处理过的测量数据导入CAD系统，依据前面创建的曲线、曲面构建实物的三维数字化原型。  

1.3 数据采集 　　

数据采集是逆向工程的第一步，其方法正确与否直接影响实物的二维、三维几何数据，影响到重建的CAD实体模型的质量，影响产品的质量。 

2. 塑料水壶模具的数字化设计与制造 　

2.1水壶原型的数据采集 　　

使用PIX-30三坐标测量仪扫描测量，得到点云数据。首先将水壶固定在扫描平台上，调整扫描探头的扫描区域，使扫描区域正好包含水壶的大尺寸。然后进行自动测量，测量中点与点间距及扫描线与扫描线间距均可自由设定。测量数据以STL格式保存，便于以后用UG软件打开。图2为水壶样品的三维扫描点云数据。 　　

2.2水壶原型的重建 　

在UG系统中，曲面是一种泛称，片体和实体的自由表面都可称为曲面。UG曲面的数学性质为B曲面，也就是NURBS( 非均匀有理B样条) 曲面。B曲面由若干曲面片( 补片) 构成，其参数曲线是多段样条;单补片曲面是贝塞尔曲面，其参数曲线是单段样条，贝塞尔曲面是B曲面的特例。UG系统具有强大的曲面建模功能，在设计时，由点云数据先构造曲线，再由曲线构造曲面。创建自由曲线，主要使用Spline(样条曲线)命令。在UG中运行Insert Curve Spline菜单命令，出现Spline对话框。可在对话框中选择Bypoles、Through Poi nts、Fit及Perpendicular to Planes四种方式创建曲线。并可在后续步骤中进行控制曲线阶次与段数、曲线的分析显示、指定斜率和指定曲率等操作。 　

一般地，为了提高曲面质量，曲线的形状要达到以下要求：没有尖点、曲率变化均匀平滑、曲线上的控制点数量尽可能少。同时要保证曲线的整体特性，如凹凸性和光顺性等。利用预先构造的曲线作为输入数据创建曲面是构造曲面的主要放法。主要命令为：Insert/Free From feature子菜单下的通过曲线创建片体( Through Curves)、通过曲线网格创建片体( Through Curve Mesh) 、通过曲线扫描创建片体(Sweep) 等。　

建立片体不是UG建模的目的，目的是要建立实体模型。UG中可通过缝合、补片体、修剪实体、加厚片体等方法生成实体。 　　

2.3 数据处理 　

由于三坐标测量仪的测量放法，误差处理方式及周围环境等因素的影响，使采集到的点云数据不可避免地受到噪音的污染，同时在凹陷区肯定会产生测量盲区，所以，在反求模型之前必须对数据进行编辑。删除不需要的点数据，过滤噪声，减少点数据数目，在曲面的变化缓慢的地方取点密度较稀疏，在曲率变化较大部分要密集取点。对于采点盲区，可以采用填充命令进行修补。首先对原始点云进行去噪平滑处理，这样修补后的模型整体光顺性可得到进一步提高。 　　 

2.4模具零件的生成 　　

模具设计的流程通常为： 　　

(1)制品设计( 直接创建三维模型或导入的三维模型) 。 

(2)初始化项目名称、加载实体模型和单位。 　

(3) 观察分析实体模型的出模斜度和分型情况。

(4)设计模具的分型面、模腔布局、内嵌件、推杆、浇口、冷却和电极。 　　   

(5)修补开放面。 　

(6)定义分型面。 

(7) 确定拔模方向、收缩率和成型镶件。 

(8)设计浇口、流道、冷却、电极、建腔和列材料清单。 

(9)加入标准模架、推杆、滑块、内抽芯和内嵌件。 

(10)利用UG的CAM模块生成型芯、型腔的NC加工程序。 　

利用UG中的注塑模具设计(Mold Wizard) 模块，调入获得的水壶原型，通过设定Z轴的正方向为顶出方向，设置模具坐标系，取塑件的收缩率为1.005，再通过设置成型镶件、布局、修补、建立分型线、建立分型面，从而可以快速设计出注塑模的关键件。 

2.5模具零件NC程序的生成 　　

将获得的模型零件直接导入UG的CAM模块，根据曲面选择不同的刀具和加工方式，设置合理的工艺参数、切削用量、主轴转速等参数。模拟仿真确认无误后，选择加工中心的后处理器，系统自动生成铣削定位NCI 和NC文件，通过网线与机床通讯并实施加工。 　

将逆向工程技术应用到注塑模的设计与制造中，借助于三坐标测量仪和UG软件，通过数据采集、数据处理、产品建模、模型设计、NC程序生成以及加工。可以大大缩短模具的设计与制造周期，加快产品的开发速度，提高产品设计与制造的精度，增强企业的竞争能力。特别是在零件形状复杂的模具设计与制造中，其优势更加明显。因此，逆向工程的应用，将有助于提高整个模具的技术含量，提升沙盘模型企业的竞争力。