模具制造中的“逆向思维”

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    随着计算机技术的发展，CAD/CAM技术已成为产品设计和加工的重要工具，其中的三维造型技术已被制造业广泛应用于产品及模具设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护等各个方面。在实际开发制造过程中，设计人员接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型，但很多时候，却是从上游厂家得到产品的实物模型。没有图纸或CAD数据档案，工程人员无法得到准确的尺寸，制造模具就更为烦杂。用传统的雕刻方法，时间长且效果不佳，这时候就需要一个一体化的解决方案：从样品→数据→产品，逆向工程系统就专门为制造业提供了一个全新、高效的三维制造路线。这就是模具制造中拥有的“逆向思维”，即逆向工程。 
　　逆向工程是由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合反求软件进行曲向重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成IGES或STL数据，据此就能进行快速成型或CNC数控加工。 
　　逆向工程技术实施的硬件条件 
　　在利用逆向工程技术进行设计时，需要从设计对象中提取三维数据信息。检测设备的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。目前，国内厂家使用较多的有英国、德国、日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。近几年，国内的扫描设备有了很大发展。例如，深圳鑫磊镭瑞精密仪器有限公司自主研发生产的Laser-RE 600Ⅱ型复合式激光扫描机（如上图），测量范围可达到X轴500mm，Y轴600mm ，Z轴400 mm。650 nm 波长激光，最大功率20mW ，连续可调。机械精度X、Y、Z三轴综合精度分别≤0.05mm，机台重复定位精度≤0.005 mm，机台承受重力>1000 kg ，转台承受重力 >500 kg。扫描景深可达到150mm，扫描速度为1000p/sec，单次扫描宽度为50mm，扫描精度≤0.05mm，不仅可平面扫描而且可以旋转扫描。Laser-RE600Ⅱ型复合式激光扫描机是目前国内较为先进的扫描机。 
　　不同的测量对象和测量目的，决定了测量过程和测量方法的不同。在实际三坐标测量时，应该根据测量对象的特点以及设计工作的要求确定合适的扫描方法并选择相应的扫描设备。例如，材质硬且形状较为简单、容易定位的物体，应尽量使用接触式扫描仪。这种扫描仪成本较低，设备损耗费相对较少，且可以输出扫描形式，便于扫描数据的进一步处理。但在对橡胶、油泥、人体头像或超薄形物体进行扫描时，则需要采用非接触式测量方法，它的特点是速度快，工作距离远，无材质要求，但设备成本较高。 
　　逆向工程技术实施的软件条件 
　　目前比较常用的通用逆向工程软件有Surfacer、Delcam、Cimatron以及Strim。具体应用的反向工程系统主要有以下几个：Evans开发的针对机械零件识别的逆向工程系统；Dvorak开发的仿制旧零件的逆向工程系统；H.H.Danzde CNC CMM系统。这些系统对逆向设计中的实际问题进行处理，极大地方便了设计人员。此外，一些大型CAD软件也逐渐为逆向工程提供了设计模块。例如Pro/E的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模块，可以接受有序点(测量线)，也可以接受点云数据。其它的象UG软件，随着版本的改进，逆向工程模块也逐渐丰富起来。这些软件的发展为逆向工程的实施提供了软件条件。 
　　逆向工程工作中应该注意的问题 
　　在实际设计中，目前这些软件还存在着较大的局限性。在机械设计领域中，集中表现为软件智能化低；点云数据的处理功能弱；建模过程主要依靠人工干预；设计精度不够高；集成化程度低等问题。例如，Surfacer软件在读取点云等数据时，系统工作速度较快，并且能较容易地进行点线的拟合。但通过Surfacer进行面的拟合时，软件所提供的工具及面的质量却不如其它CAD软件。如Pro/E、UG等。很多时候，在Surfacer里做成的面，还需要UG等软件修改。但是，使用Pro/E、UG等软件读取点云数据时，却会造成数据庞大的问题，对它们来说，一次读取如此多的点是比较困难的。 
　　值得注意的是，在设计过程中并不是所有的点都是要选取的，因此，在确定基本曲面的控制曲线时，需要找出哪些点或线是可用的，哪些点或线是一些细化特征的，需要在以后的设计中用到，而不是在总体设计中就体现出来。事实上，一些圆柱、凸台等特征是在整体轮廓确定之后，测量实体模型并结合扫描数据生成的。同时应尽量选择一些扫描质量比较好的点或线，对其进行拟合。逆向工程是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，逆向工程技术已经广泛应用到新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中，它不仅消化和吸收实物模型，而能修改再设计以制造出新的产品。但同时设计过程中系统集成化程度比较低，人工干预的比重大，将来有望形成集成化逆向工程系统，以软件的智能化来弥补人工干预的不足。