王書林

（徐州市中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 徐州 221000）

隨著工業(yè)產(chǎn)品、生活用品塑料化趨勢(shì)的增強(qiáng)，塑料制品的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，市場(chǎng)需求量不斷上升，同時(shí)各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λ芰袭a(chǎn)品的強(qiáng)度特性、品質(zhì)也提出了更高要求，尤其是塑料制品逐漸取代傳統(tǒng)金屬元件，對(duì)塑料制品質(zhì)量要求更為嚴(yán)格。目前塑料制品設(shè)計(jì)與加工技術(shù)依然沿用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，即先進(jìn)行圖紙三維模型構(gòu)建，再根據(jù)成品應(yīng)用需要進(jìn)行材料、工藝等設(shè)計(jì)，常出現(xiàn)因缺失圖紙數(shù)據(jù)而延長(zhǎng)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)周期的情況。將逆向工程技術(shù)應(yīng)用于常規(guī)設(shè)計(jì)模式，顛倒傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，先進(jìn)行實(shí)物樣件圖紙?jiān)O(shè)計(jì)再進(jìn)行三維數(shù)字模型轉(zhuǎn)化，能夠有效提高設(shè)計(jì)精度與效率。以下探究逆向工程技術(shù)在塑料模具設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，希望能對(duì)行業(yè)內(nèi)合理利用逆向工程技術(shù)有一定的參考作用。

1 逆向工程技術(shù)概述

逆向工程技術(shù)又被稱作反求工程，是指運(yùn)用測(cè)量手段展開對(duì)實(shí)物、模型的測(cè)量，根據(jù)獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)建三維幾何模型，重構(gòu)實(shí)物CAD 模型，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造。具體流程是：在已有樣品基礎(chǔ)上通過測(cè)量獲取相關(guān)數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、經(jīng)CAD 進(jìn)行曲面創(chuàng)面和CAD 曲面造型修飾，數(shù)據(jù)基礎(chǔ)形成后進(jìn)行模具造型、經(jīng)CAD 軟件生成NC 程序和加工模具，最終完成模具重構(gòu)，用于產(chǎn)品復(fù)制。

其中需要用到諸多工具與軟件，如在數(shù)據(jù)測(cè)量環(huán)節(jié)，需要大量點(diǎn)群數(shù)據(jù)處理軟件，CAD、MAE、CNC 和CAM 等，以及機(jī)械接觸式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、三維激光掃描機(jī)和光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等設(shè)備[1]。逆向工程技術(shù)作為一項(xiàng)創(chuàng)新型技術(shù)，對(duì)工程軟件的應(yīng)用要求嚴(yán)格，需要具備噪聲濾除、內(nèi)插補(bǔ)、曲面修改、細(xì)線化、曲線與曲面構(gòu)建和補(bǔ)點(diǎn)等諸多操作功能[2]。

2 逆向工程技術(shù)在塑料模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用流程

2.1 數(shù)據(jù)測(cè)量與采集

數(shù)據(jù)測(cè)量與采集是逆向塑料模具設(shè)計(jì)的第一步，以測(cè)量期間側(cè)頭與工件是否發(fā)生接觸為標(biāo)準(zhǔn)，目前分為有接觸與非接觸兩種測(cè)量方式，其中接觸式測(cè)量具有較高精準(zhǔn)度，對(duì)工件的表面光線以及顏色無特殊要求，但需要在測(cè)量過程中嚴(yán)格控制測(cè)量速度，避免劃損側(cè)頭；非接觸式具有測(cè)量速率快的優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量精度較低，測(cè)量過程中要求工件表面光線適宜，目前常用于曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件測(cè)量。

數(shù)據(jù)測(cè)量是將實(shí)物工件與三維數(shù)據(jù)模型這兩個(gè)孤立過程連接實(shí)現(xiàn)數(shù)字化加工的橋梁，目前為了滿足內(nèi)行業(yè)內(nèi)高設(shè)計(jì)效率的需求，測(cè)量過程中應(yīng)充分描繪工件幾何外形特征，采用合適技術(shù)與工具，減少無用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描與采集[3]。常用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量工件曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過曲面特征情況分析，可自動(dòng)規(guī)劃化面片測(cè)量路徑，減少測(cè)量中干擾因素、提高測(cè)量效率，及時(shí)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)下保障曲面質(zhì)量。

2.2 數(shù)據(jù)處理

獲取后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理，形成統(tǒng)一視角下的物理輪廓數(shù)據(jù)信息，這一步驟需要將測(cè)量中采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成.asc 格式，經(jīng)Geomagic Studio 軟件完成點(diǎn)云之間的拼合；完成合并后，再利用軟件中的噪音濾除功能，將數(shù)據(jù)采集過程中因掃描設(shè)備振動(dòng)以及光照產(chǎn)生的噪音點(diǎn)消除；最后需要重新采樣，這一環(huán)節(jié)至關(guān)重要，關(guān)系到后續(xù)設(shè)計(jì)的整體效率，其需要對(duì)從點(diǎn)云數(shù)據(jù)的整體上進(jìn)行考慮，改變數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離，進(jìn)行系統(tǒng)性的處理，減少不必要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而獲取完整的曲面點(diǎn)云[4]。也可利用三維CAD 軟件直接進(jìn)行點(diǎn)云處理，將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為.igs 格式，上傳到CAD 軟件中，經(jīng)冗余數(shù)據(jù)清除處理、誤測(cè)與波動(dòng)數(shù)據(jù)消除處理、側(cè)頭半徑影響消除處理、數(shù)據(jù)平滑處理、提取特征數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分割處理和視圖合并處理步驟進(jìn)行操作。

2.3 曲面及CAD 模型建構(gòu)

目前，常用的曲面模型建構(gòu)方法有兩種，一種是直接利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)建構(gòu)曲面，另一種則是點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合曲面后經(jīng)過造型工具處理建構(gòu)曲面。兩種方法獲取的曲面存在差異，點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接建構(gòu)曲面為非參數(shù)化曲面，原始點(diǎn)與曲面之間為非關(guān)聯(lián)關(guān)系，增加了后續(xù)設(shè)計(jì)的難度；而擬合曲面后形成的新曲面為參數(shù)化曲面，可為設(shè)計(jì)提供參數(shù)且可進(jìn)行修改[5]?？蓪?igs 格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)上傳至Pro/e 軟件中，進(jìn)行曲面建構(gòu)；也可利用UG 軟件，經(jīng)過布爾運(yùn)算，獲取實(shí)物原型的完整三維數(shù)據(jù)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)曲面建構(gòu)。

2.4 注塑模具成型件設(shè)計(jì)

曲面模型建構(gòu)后可繼續(xù)利用Pro/e 軟件進(jìn)行分模處理，因考慮到需要塑件具有一定拔模傾度，選擇合適的分型面至關(guān)重要；軟件中模具分析工具可執(zhí)行脫模傾斜度檢測(cè)命令，使用構(gòu)成中將收縮率調(diào)整為0.005，點(diǎn)擊“編輯”菜單，通過復(fù)制、粘貼命令，則可快速創(chuàng)建完成工件外表曲面，再利用填充等工具進(jìn)行修補(bǔ)，最終合并形成完整分型面。獲取分型面后，利用體積塊分割以及模具進(jìn)料孔兩個(gè)工具進(jìn)行開模演示，無任何問題后，則可將模塊導(dǎo)進(jìn)數(shù)控加工程序進(jìn)行編制。

利用UG 等軟件時(shí)則可利用無線模塊以及單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，最終通過液晶模塊顯示數(shù)據(jù)用于設(shè)計(jì)編制。

3 逆向工程技術(shù)在塑料模具設(shè)計(jì)中應(yīng)用（以電鉆殼模具設(shè)計(jì)為例）

3.1 數(shù)據(jù)測(cè)量與采集環(huán)節(jié)

考慮到電鉆殼的外形復(fù)雜度，采用Laser-RE600Ⅲ型非接觸式激光掃描儀配和雙CCD 三角測(cè)量技術(shù)完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)測(cè)量采集工作，在采集數(shù)據(jù)過程中，為避免激光掃描受區(qū)域限制，需對(duì)電鉆殼正、側(cè)兩面進(jìn)行2 次以上掃描，其中正面掃描利用單方向直線式進(jìn)行連續(xù)性掃描即可，而側(cè)面掃描則需要在360°旋轉(zhuǎn)下完成掃描。

3.2 數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)

將測(cè)量后采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為.asc 格式，經(jīng)Geomagic Studio 軟件處理，將其中噪音點(diǎn)與無效點(diǎn)云數(shù)據(jù)清除，第一環(huán)節(jié)共采集8633 個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后留取4509 個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.3 曲面及CAD 模型建構(gòu)環(huán)節(jié)

逆向工程技術(shù)設(shè)計(jì)中采用曲面建構(gòu)方法先進(jìn)行曲面擬合，形成參數(shù)化曲面，具體操作中將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為.igs 格式，通過Pro/e 軟件進(jìn)行建構(gòu)，建構(gòu)過程中為最大程度保障整個(gè)過程清晰、有序，先進(jìn)行點(diǎn)層數(shù)據(jù)分層處理，根據(jù)電鉆殼曲面特征共分為3 個(gè)層次：手柄部為第一層次、電機(jī)倉為第二層次、連接處為第三層次，每個(gè)層次分別構(gòu)建起曲面片，經(jīng)過合并與修剪形成完整曲面。

建構(gòu)過程中采用四邊參數(shù)曲面的“邊界混合”功能，先形成平行的基準(zhǔn)面進(jìn)行曲線造型，再在基準(zhǔn)面基礎(chǔ)上消除誤差數(shù)據(jù)，使曲面過度更為光順；并通過“曲率分析”判斷曲線光順性是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，如果分析結(jié)果顯示曲率呈較大變化趨勢(shì)，則表示光順性差。按照以上環(huán)節(jié)完成第二層次造型曲線建構(gòu)，最終利用“邊界混合”工具完成不同層次造型曲線的合并。需要注意的是，在曲線建構(gòu)過程中，需要細(xì)化曲線特征，詳細(xì)分析塑件形狀以及塑件特征，清除非必須擬合造型曲線，合并過程中需要通過面片的修建處理、合并處理和過度處理，經(jīng)過“抽殼”與“實(shí)體化”工具實(shí)現(xiàn)整體的構(gòu)造，最終經(jīng)過后期拉伸、倒圓角等工具細(xì)化模具特征，完成三維數(shù)字化模型建構(gòu)。

在注塑模具成型件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需先進(jìn)行分型面設(shè)計(jì)，經(jīng)過體積塊分割將分型面分模，形成如圖1 所示的凹、凸模型腔，模擬模具進(jìn)料，無問題后導(dǎo)入到數(shù)控加工程序編制。

4 結(jié)語

逆向工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更高效的塑料模具設(shè)計(jì)，且經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，在設(shè)計(jì)過程中通過參數(shù)化曲面重構(gòu)提高了模具設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度，為實(shí)現(xiàn)塑料模具高質(zhì)量、高效率設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。因此，通過逆向工程技術(shù)的具體應(yīng)用分析，希望其使用功能與價(jià)值得到充分發(fā)揮，成為一種快速、有效的塑料模具設(shè)計(jì)手段。