趙顯日

(遼寧石化職業(yè)技術學院,遼寧錦州　121001)

基于逆向工程的模具修復技術

趙顯日

(遼寧石化職業(yè)技術學院,遼寧錦州121001)

模具在制造業(yè)中應用日益廣泛,使用過程中不可避免地產(chǎn)生磨損或破損。逆向工程提供了模具修復的新途徑,本文介紹利用逆向工程技術進行模具修復的方法及其關鍵技術,以提高模具修復的精度和效率,降低模具成本,延長其使用壽命。

逆向工程模具修復點云數(shù)據(jù)預處理曲面重構(gòu)三維實體化

模具在制造業(yè)中的應用日益廣泛，在其使用過程中不可避免地產(chǎn)生磨損或破損。對于表面磨損嚴重或有較大破損的模具，尤其是具有復雜曲面的模具，采用逆向工程的技術手段，可以獲得較好的修復效果。本文介紹逆向工程技術進行模具修復的方法，并對其中的幾個關鍵技術進行討論。

1　表面數(shù)據(jù)采集

基于逆向工程進行模具修復的首要工作是表面數(shù)據(jù)采集，即分析被測對象的形狀、測量部位，再結(jié)合所選測量設備的特征參數(shù)(如測量范圍、測量精度等)制定測量方案。

由于受測量系統(tǒng)的測量范圍限制，大型模型需分幾次完成型面測量;對于復雜型面要注意投影編碼盲點和視覺死區(qū)等問題，此時需分區(qū)測量;對于模具上較大的磨損面，應選擇測速效率高的數(shù)字化設備;對于結(jié)構(gòu)形狀復雜的表面，應選擇可以進行復雜輪廓測量的設備;此外，測量設備的精度應高于后續(xù)分析的精度。為了高速、高精度數(shù)據(jù)采集，可以采用接觸式與非接觸式相結(jié)合的方法進行測量。

對模具破損區(qū)域測量后得到點云數(shù)量要足夠，以保證分析精度要求。

2　點云數(shù)據(jù)預處理

采用任何測量方式、測量系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)均有誤差，因此要進行點云數(shù)據(jù)預處理。主要包括多視點云拼合、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)精簡、數(shù)據(jù)分塊等幾個方面。

2.1多視點云拼合

多視點云拼合是將多個視角獲得的子區(qū)域信息統(tǒng)一到同一坐標系中。其方法主要有兩種:通過專用測量裝置記錄工件測量過程中的移動量和轉(zhuǎn)動角度，由測量軟件直接完成點云數(shù)據(jù)的拼合;直接操作點云數(shù)據(jù)，以獲得完整的數(shù)據(jù)信息和一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);此外還有基于圖形的多視對齊等。

多視點云拼合獲得的數(shù)字化模型應滿足磨損型面數(shù)據(jù)完整，以保證與磨損前模型對齊的精度達到磨損分析的要求。

2.2數(shù)據(jù)過濾

由于測量時受到不可避免的誤差和人為因素的影響，使采集點云并非完全落在實體上，會有大量的雜點(也稱壞點)。用肉眼能夠識別的雜點可以手工去除，其他可以采用標準高斯濾波法、平均濾波法和中值濾波法等去除，其中高斯濾波法對保持原始數(shù)據(jù)的形貌有較好的效果，中值濾波在消除數(shù)據(jù)的毛刺方面效果較好。點云數(shù)據(jù)經(jīng)過濾后更平滑和連貫，更貼合實物特征。

2.3數(shù)據(jù)精簡

過濾后的海量點云數(shù)據(jù)，在不損失模型特征的情況下需要精簡，以提高后續(xù)的工作效率。方法如下:散亂點云可通過隨機采樣精簡;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、弦偏差等方法精簡;網(wǎng)格化點云可采用等分布密度法和最小包圍區(qū)域縮減。此外還有空穴填補和基于面密度概念的數(shù)據(jù)簡化法等。

2.4數(shù)據(jù)分塊

根據(jù)實體外形曲面類型，將不同自取面類型的數(shù)據(jù)劃分為不同類型的數(shù)據(jù)域。點云分塊有基于測量的分割和自動分割兩類，其中自動分割法包括基于邊和基于面兩種。點云數(shù)據(jù)分塊后，經(jīng)過曲面過渡、相交、剪裁等方法將多個分塊的曲面組成一個整體模型，以實現(xiàn)曲面重構(gòu)。

點云數(shù)據(jù)預處理后所獲得的純凈數(shù)據(jù)將為后續(xù)模型重構(gòu)奠定基礎。

3　曲面重構(gòu)

曲面重構(gòu)是逆向工程中最復雜、最關鍵的環(huán)節(jié)。曲面重構(gòu)是將點云數(shù)據(jù)通過插值或者擬合構(gòu)建近似實體原型的模型，主要包括曲面擬合和曲面建模兩方面的內(nèi)容。

3.1曲面擬合

曲面擬合前應合理規(guī)劃幾何特征、選擇合適的算法和參數(shù);曲面擬合后，應保證區(qū)域內(nèi)的曲面擬合質(zhì)量以及特征線的曲面連續(xù)性。

曲面擬合主要有兩種方法。一是由數(shù)據(jù)點擬合出樣條曲線，并對樣條曲線進行曲率分析，確定誤差是否控制在允許范圍內(nèi)，否則要光順處理，直至合格;然后利用三維造型軟件擬合出曲面。二是直接對測量數(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擬合。此時要注意曲面之間保證曲率連續(xù)，對生成的曲面進行誤差分析。

3.2曲面建模

曲面建模目前主要是通過人工交互來實現(xiàn)。由于特征線是重構(gòu)曲面的邊界線，因此利用特征線劃分點云區(qū)域，再以特征線為中心，利用軟件的點云數(shù)據(jù)處理、曲面修剪等功能，重構(gòu)出完整的曲面模型。

曲面模型的幾何特征識別、曲面光順性與精確性，有賴于建模人員的經(jīng)驗和技巧。

4　三維實體化與區(qū)域特征提取

在對上述曲面模型生成實體的過程中，會產(chǎn)生破損小曲面片，此時將所有曲面按特征劃分為若干區(qū)域，對可能出現(xiàn)破碎片的圖層進行檢查，清除破損片體，然后再縫合，得到破損模具三維實體模型。

將破損模具實體模型與標準模具模型分析對比，利用三維軟件中的求差方法，獲得破損區(qū)域三維數(shù)據(jù)模型，提取磨破損區(qū)域特征。通過編程軟件對破損區(qū)域進行軌跡編程，將生成的代碼通過機器人運行，在模具磨破損區(qū)域完成精確修補(如熔覆專用的金屬粉末等)。

5　結(jié)語

逆向工程技術提供了新的模具修復的技術手段，對于提高修復精度和效率、降低模具成本、延長模具使用壽命具有重要意義。利用逆向工程技術進行模具修復具有良好的發(fā)展前景。

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Mould is w idely used in the manufacturing industry. It inevitably produce wear or damage in use. Reverse engineering provides a new approach of mould repair. This paper introduces the method of using reverse engineering technology and key technologies in mould repair. It can improve the accuracy and efficiency of mould repair, reduce the mould cost and prolong its service life.

reverse engineering;mould repair;point cloud data pre-processing;curved surface reconstruction;3D materialization

趙顯日(1966—)，女，朝鮮族，遼寧鳳城人，副教授，碩士學位，現(xiàn)從事機械制造方面的教學與研究工作。作者趙顯日，主編教材7部，發(fā)表論文14篇。