孔藤橋

（共青科技職業(yè)學(xué)院，江西 九江 332020）

1 逆向工程技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，CAD技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)人員必不可少的技術(shù)之一。而在產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員所需要的技術(shù)資料通常是無法從產(chǎn)品的實(shí)物模型中直接得到的，需要設(shè)計(jì)人員通過一定的途徑把實(shí)物模型轉(zhuǎn)換成CAD模型。在這個(gè)過程中，逆向工程就發(fā)揮了其重要的作用。

逆向工程技術(shù)，又可以稱作反求工程或反求設(shè)計(jì)，指的是借助一定的測(cè)量手段，對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行全面的測(cè)量，測(cè)量之后依據(jù)測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的重建。傳統(tǒng)的正向工程是將未知的設(shè)計(jì)理念通過工程師的努力和勞動(dòng)變成人類需求的實(shí)物的過程。而逆向工程則是以產(chǎn)品原型為基礎(chǔ)，通過測(cè)量手段獲取產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，以便能夠通過測(cè)量數(shù)據(jù)獲取更多關(guān)于產(chǎn)品的信息。逆向工程技術(shù)包含廣泛的技術(shù)方向，如形狀反求、材料反求、工藝反求等，在工業(yè)領(lǐng)域中主要有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行改型設(shè)計(jì)或仿形設(shè)計(jì)；對(duì)已有的產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)制，明確原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖；對(duì)磨損的零件進(jìn)行還原；對(duì)模型進(jìn)行數(shù)字化檢測(cè)，便于模型間的對(duì)比分析，如分析產(chǎn)品變形原因、檢測(cè)焊接質(zhì)量等。逆向工程加快了產(chǎn)品設(shè)計(jì)速度和制造速度，同時(shí)也為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造提供了很好的技術(shù)支持，是當(dāng)前制造業(yè)中進(jìn)行信息傳遞的重要途徑。

逆向工程的測(cè)量過程可以根據(jù)測(cè)量頭是否與零件有接觸而分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N。其中，接觸式測(cè)量所用到的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種具有很強(qiáng)柔性的大型測(cè)量設(shè)備，是20世紀(jì)60年底發(fā)展起來的具有高效率、高精準(zhǔn)度的新型測(cè)量?jī)x器，接觸式測(cè)量由于測(cè)量頭的不同又分為觸發(fā)式測(cè)量和連續(xù)式測(cè)量，接觸式測(cè)量通常用于材質(zhì)較硬、形狀簡(jiǎn)單、定位容易的實(shí)物測(cè)量；非接觸式測(cè)量則由于采用的測(cè)量原理不同而被分為三角形法、激光干涉法、CT測(cè)量法、MRI測(cè)量法等，非接觸式測(cè)量通常用于材質(zhì)較軟、已損壞以及超薄等實(shí)物的測(cè)量，如橡膠、油泥、人體頭像等。

2 逆向工程技術(shù)的重要環(huán)節(jié)

2.1 環(huán)節(jié)一：準(zhǔn)備工作

在利用逆向工程對(duì)金屬材料模具進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的過程中，需要對(duì)原有模型的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行深入的研究，以便發(fā)現(xiàn)原有模型上存在的不足以及需要修復(fù)的地方?？梢哉f，逆向工程設(shè)計(jì)并不是對(duì)原有模型的復(fù)刻，而是對(duì)原有模型的重新設(shè)計(jì)。因此在進(jìn)行準(zhǔn)備工作的時(shí)候，需要明確設(shè)計(jì)的整體思路以及模型構(gòu)成形狀的曲面類型。

2.2 環(huán)節(jié)二：數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集在逆向工程中是最基本的環(huán)節(jié)，能否采集到精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)直接決定了逆向工程技術(shù)的成功與否。在數(shù)據(jù)采集的過程中，需要獲取原有模型上的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，這通常需要用到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光三維掃描、結(jié)構(gòu)光測(cè)量等裝置。

2.3 環(huán)節(jié)三：數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)處理在逆向工程中是最重要的環(huán)節(jié)，具體的處理方法主要包括點(diǎn)云處理、曲線處理、曲面處理、誤差分析等。其中，點(diǎn)處理過程主要分為多視點(diǎn)云的拼合、點(diǎn)云過濾、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)和點(diǎn)云分塊等。曲線處理過程是指在明確曲線類型的基礎(chǔ)上，讓曲線更流暢，同時(shí)也可以根據(jù)已有的點(diǎn)創(chuàng)建曲面。對(duì)于曲線的精確度、平滑度、連續(xù)度等方面應(yīng)當(dāng)進(jìn)行檢查，對(duì)存在的問題進(jìn)行修改。曲面處理過程是指在明確曲面類型的基礎(chǔ)上，讓曲面更加精準(zhǔn)或光滑。對(duì)于曲面的精確度、平滑度、連續(xù)度等方面應(yīng)當(dāng)進(jìn)行檢查，對(duì)存在的問題進(jìn)行修改。數(shù)據(jù)處理的誤差分析主要是對(duì)軌跡誤差、測(cè)量誤差、加工誤差以及擬合誤差等進(jìn)行分析，使數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。

3 逆向工程技術(shù)在金屬材料模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，有超過六成的工業(yè)產(chǎn)品都需要模具，因此，模具的設(shè)計(jì)尤為重要。由于模具具有幾何形狀的特點(diǎn)，以及其獨(dú)特的生產(chǎn)方式，所以逆向工程在模具設(shè)計(jì)制造中有著極其廣泛的應(yīng)用。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 依據(jù)原有金屬樣件制造模具

通常情況下，開發(fā)設(shè)計(jì)人員從上游廠商那里并不能直接拿到樣件的數(shù)據(jù)模型，而是直接拿到實(shí)體物件，這時(shí)候就需要對(duì)原有的金屬樣件進(jìn)行逆向工程，以便得到樣件的CAD模型，可以對(duì)其具體的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新制造。首先根據(jù)樣件的實(shí)體進(jìn)行數(shù)字化點(diǎn)云，利用逆向工程軟件建模，隨后對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到合理的金屬模具設(shè)計(jì)方案，最后在得到的CAD模型上進(jìn)行完善并生產(chǎn)制造。

3.2 對(duì)金屬材料模具進(jìn)行修改定型

對(duì)于金屬材料模具的設(shè)計(jì)和制造并不是一次成型的，因此需要通過反復(fù)的修改才能得到更加符合要求的模具。但是，模具外形的改變并沒有直接體現(xiàn)在原始的CAD模型上，此時(shí)就需要借助逆向工程的表面數(shù)字化和CAD模型重建功能對(duì)金屬材料模型進(jìn)行修改。這個(gè)應(yīng)用有效地減少了設(shè)計(jì)制造的時(shí)間，大大提高了金屬材料模具的生產(chǎn)效率，同時(shí)還在很大程度上降低了金屬材料模具的生產(chǎn)制造成本。

3.3 對(duì)金屬材料模具進(jìn)行二次創(chuàng)新

當(dāng)拿到一個(gè)金屬材料模具的樣件時(shí)，我們首先需要對(duì)其引進(jìn)技術(shù)的設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行分析，在這個(gè)過程中通常是對(duì)模具進(jìn)行三維掃描，利用逆向工程軟件建立它的CAD模型，得到相關(guān)的分析數(shù)據(jù)，隨后根據(jù)得到的數(shù)字化模型進(jìn)行分析、消化和吸收，改善其存在的不足，分析其成型的結(jié)果是否與實(shí)際所需的情況相符合，再通過反復(fù)的試驗(yàn)和修改，對(duì)模具進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到取其精華去其糟粕的優(yōu)化創(chuàng)新目的。在金屬材料模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造行業(yè)中很多會(huì)運(yùn)用到逆向工程技術(shù)和仿真模擬技術(shù)的結(jié)合，這兩種技術(shù)的結(jié)合不僅是技術(shù)創(chuàng)新的體現(xiàn)，同時(shí)也符合了國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的需求。這兩種技術(shù)的完美結(jié)合在金屬材料模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造中的應(yīng)用就充分體現(xiàn)了創(chuàng)新性，是我國(guó)發(fā)展模具工業(yè)自主創(chuàng)新的重要途徑。

3.4 對(duì)損壞或磨損的金屬材料模具進(jìn)行還原

有很多結(jié)構(gòu)尺寸較大、模具型面形狀復(fù)雜的金屬材料模具，由于具有很高的精度要求和質(zhì)量要求，且其制造周期相對(duì)較長(zhǎng)、制造成本相對(duì)較高，因此一旦發(fā)生損壞或者磨損就會(huì)造成很大的損失，鑒于此，修復(fù)技術(shù)就越來越被人們所重視。當(dāng)前，在進(jìn)行模具修復(fù)的過程中，大多用到的方法主要有熱處理、激光焊接或刷焊、數(shù)控加工和表面工程等技術(shù)，這些物理修復(fù)由于指導(dǎo)方法以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，導(dǎo)致其修復(fù)成本高、周期長(zhǎng)、質(zhì)量差，更嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致模具的報(bào)廢。利用逆向工程對(duì)損壞或磨損的金屬材料模具進(jìn)行還原是通過對(duì)損毀區(qū)域的特征進(jìn)行識(shí)別與分析，建立完整的數(shù)據(jù)模型，運(yùn)用方法進(jìn)行沖壓成型模擬和分析計(jì)算，且對(duì)修復(fù)后的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行質(zhì)量的檢測(cè)和評(píng)價(jià)，這個(gè)過程在很大程度上降低了模具的修復(fù)還原成本并且提高了修復(fù)的質(zhì)量和效率。

3.5 檢測(cè)金屬材料模具的回彈與控制質(zhì)量

在薄板的沖壓成型過程中，回彈是避免不了的一種物理現(xiàn)象，導(dǎo)致這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因與模具的幾何形狀、材料特質(zhì)以及接觸摩擦等因素相關(guān)。目前，CAE技術(shù)通過迭代計(jì)算從而得到模具最終的補(bǔ)償型面是檢測(cè)金屬材料模具回彈的主要方法。但是由于仿真技術(shù)并不能準(zhǔn)確計(jì)算出沖壓件的回彈程度，所以這種方法并不能保證所得模具的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。而逆向工程則為金屬材料模具的回彈檢測(cè)提供了新的途徑，在得到實(shí)際沖壓件的數(shù)字化模型之后，可以進(jìn)行誤差的計(jì)算和分析，檢測(cè)金屬材料模具的回彈，并以此來建立回彈仿真誤差的補(bǔ)償模型，從而對(duì)模型進(jìn)行質(zhì)量控制。

4 結(jié)語

隨著我國(guó)制造業(yè)的快速發(fā)展，金屬材料在質(zhì)量和強(qiáng)度方面都有了很大程度的提高，其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，因此在金屬材料模具的設(shè)計(jì)制造中融入逆向工程技術(shù)，將會(huì)改變傳統(tǒng)的金屬模具設(shè)計(jì)與制造的思路，不僅可以解決復(fù)雜的建模過程，同時(shí)還能形成一個(gè)集設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)于一體的指導(dǎo)系統(tǒng)?？梢哉f，逆向工程技術(shù)的加入，讓金屬材料模具的設(shè)計(jì)和制造具有更高的精度，以低成本、高標(biāo)準(zhǔn)的要求來優(yōu)化金屬材料模具制造，為金屬模具開拓更加廣泛的發(fā)展應(yīng)用空間。