基于逆向技术的奶勺模具设计与制造

由于市场竞争的原因，企业常常会利用已有的产品来进行模仿设计，这种过程可以大大加快产品的研发速度，尤其对于复杂曲面的物件来说，经济效益更是明显。逆向技术即是在这种背景下发展起来的，模具逆向工程技术是利用计算机辅助测量技术与CAD/CAM技术，实现实物测量一几何建模一曲面加工一体化，利用散乱的扫描数据重构曲面的CAD模型也是逆向技术的一个研究热点，利用逆向技术实现模具的设计与制造可以实现产品从无到有的一个过程，本文以一个常见的工业产品奶勺为例，对其进行数据采集，数据分析处理，模型重构，最后实现奶勺模具的设计与制造。

1 顺向工程与逆向工程设计

在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程：设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程可以称之为“正向设计”，又称“顺向工程设计”。

逆向工程(Reverse Engineering)也称“反求工程”，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型，从而实现产品设计或制造的过程。

图1所示为制作塑料产品(奶勺)模具的逆向设计流程图：针对现有样品或模型(图2)，利用3D数字化测量方法准确、快速地量取工件的表面点数据或轮廓线条，并加以曲面的创建、编辑和修改后，传送至CAD/CAM系统，再将CAM系统生成的NC加工刀具路径传送至CNC加工出所需的模具。

2 逆向工程系统的组成

从塑料产品(奶勺)模具逆向设计流程图可以看出，逆向工程首先必须使用精密的测量系统将样品的三维轮廓尺寸快速的测量出来，然后依据得到的数据创建曲面造型及加工。故建立一套完整的逆向工程系统，需要下列基本配置：测量机(又称抄数机);点群数据处理软件，即逆向工程软件;CAD/CAM/CAE软件;CNC机床;塑料射出成型机或其它成型设备。

常用的测量机有：机械接触式坐标测量机，它是通过监测测头与实物的接触情况获取坐标数据，其测量原理及过程比较简单、方便，成本又低，目前应用较为广泛。三维激光扫描机，它是由激光扫描实物，同时由摄像机录下光束与实物接触部位的一种非接触式抄数机，它具有测量速度快，可测量柔软物体，不会损坏工件表面等优点，但测量精度较低，多用于自由曲面的立体造型。光学坐标测量机，它是通过光源照射实物，利用干涉条纹技术计算实物坐标数据的一种测量设备。

通常所说的逆向工程软件，是专指用于进行点云数据的噪声滤除、补点、内插补、细线化、曲线建构、曲面构建、曲面修改等操作的软件。目前，被全球公认的四大逆向工程软件有：(1)美国EDS公司出品的逆向工程软件Image Ware，作为NX外挂的逆向工程软件包，具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测等功能，正被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。(2)美国Raindro(雨滴)公司出品的逆向工程和三维检测软件Geomagic Studio，可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面。(3)英国DELCAM公司开发的系列CAD产品的集成模块CopyCAD，该软件为来自数字化数据的CAD曲面的产生提供了复杂的工具，能将处理的数据无缝地延续到设计制造阶段。(4)韩国INUS公司出品的Rapid Form软件，主要用于处理测量、扫描数据的曲面建模以及基于CT数据的医疗图象建模，还可以完成艺术品的测量建模以及高级图形生成。除此以外，逆向工程应用软件还包含一些主流的CAD/CAM软件，如CATIA，Strim，Unigraph-ICS，Pro/Engineering，Cimatron和Solidworks等，塑料产品(奶勺)模具逆向设计研究，就是基于Pro/E技术的反求设计研究。

3 数据处理与样件表面数字化

3.1 基本思想

逆向工程设计中，在构建产品的曲面之前，往往是先进行测量区域的划分，将样品划分成多个2D断面，接着利用三坐标测量机进行每一个2D断面的点数据测量，获取扫描点。将点数据转入逆向工程应用软件，来创建型曲线，再利用型曲线创建曲面。

3.2 点数据的获取与处理

“奶勺”样品模型，是一个左右结构对称产品，可只测量“奶勺”的对称半边，为了对“奶勺”进行连续测量时，有统一参照系统，应首先在模型上确定可作为基准的特征。

经过分析，奶勺表面绝大部分是曲面结构，但左右结构对称，上下结构只在勺柄部分有对称的倾向，因此在勺柄的中间位置确定中分面作为测量基准，如图3所示“前”面位置。获得相应的点数据如图4所示，然后将测量得到的数据转换为Pro/E能识别的数据格式，如*.IGS或*.IBL等格式，再转入Pro/E软件中，创建和修改型曲线，最后再对三维数字模型做镜像处理。

4 基于Pro/E的样件曲面构建

4.1 输入原始数据

根据扫描点的稀疏程度和点文件格式的不同，扫描点数据可分为高密度数据和低密度数据。

利用Pro/E3.0软件的扫描工具环境中的独立几何可从原始数据创建期望的形状。在扫描工具环境中，输入原始数据的方法是：在菜单栏中选择【插入】→【独立几何】命令，然后再选择【几何】→【示例数据来自文件】命令，可输入高密度或低密度的数据。在输入高密度数据或点云时，可用不同的过滤技术来消除不需要的数据点，创建以后可用于建立型曲线的扫描曲线。

4.2 创建型曲线与曲面的边线

扫描曲线是依次通过光滑连接扫描点得到的，扫描曲线不会偏离扫描点，只有通过删除扫描点才能修改扫描曲线的形状及曲率。Pro/E中扫描曲线是无法直接构建曲面的，因此需要通过复制扫描曲线得到型曲线。

基本步骤如下：

(1)在扫描工具环境中，选择【几何】→【曲线】→【自示例数据】命令。
(2)选择已经创建好的扫描曲线。
(3)在“选取”对话框中单击【确定】按钮，或者单击鼠标中键，创建好的型曲线如图5所示。

在逆向工程中，曲面边线的质量直接影响到曲面的质量，如果边线调整的不理想，无论如何调整内部的拟合曲线，都不能得到完美的曲面。处理曲面边界的方法多种多样，这里通过延长型曲线，使通过型曲线建立的曲面大于实际的曲面，再裁剪曲面得到曲面的边界，如图6所示。

4.3 创建样件的曲面

通过选择创建好的型曲线和边界创建混合型曲面，如图7所示。在创建整个曲面过程中，还要不断与实际零件模型数据比较，进行反复修正，控制好曲面变化在误差范围之内。

5 奶勺模具设计

得到样件3D数据以后，就可以利用Pro/E模具设计模块来创建“奶勺”模具了，在模具设计过程中，要遵循塑料模具设计的一些基本原则，进行合理地结构布置，创建的模具如图8所示。

1.导套 2.型腔 3.浇注系统 4.定模板 5.定模座板 6.推杆 7.推杆固定板 8.推板 9.型芯10.导柱 11.动模板 12.模板支撑板 13.动模座板

6 奶勺模具制造

对于模具零件的制造，要更多地借助于数控加工设备来完成。首先将抽取的型芯和型腔导入到Pro/E系统的CAM模块或者导入到CIMA-TRON、UG等CAD/CAM软件中，然后根据零件的特点，确定数控加工工艺，如加工方式、刀具、进给深度、速度等相关的加工参数的计算与设定，以生成刀具路径，再经过后置处理程序形成数控加工代码，即可用于模具的数控加工。

本模具加工中，还会应用到电火花、抛光等加工技术。另外，模具材料的选择也是对加工结果产生影响的一个重要因素。

7 结论

本文论述了逆向工程技术的基本概念，并列举了逆向工程中常用的一些设备与应用软件，有机地将逆向工程技术与高性能CAD/CAM软件Pro/E造型和加工技术结合起来，从而完成了奶勺样件的测量、制件造型、模具造型、模具制造等一系列过程，对企业的产品设计与制造发展起到了推动作用。