自20世紀(jì)80年代走出低谷以后，制造業(yè)一直是各主要經(jīng)濟(jì)體的支柱產(chǎn)業(yè)。改革開放以來我國(guó)的制造業(yè)突飛猛進(jìn)，很快成為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)。但是我國(guó)的制造業(yè)面臨著技術(shù)落后、產(chǎn)品無更新的囿景。進(jìn)入新世紀(jì)，隨著各大企業(yè)積極引進(jìn)技術(shù)，我國(guó)制造業(yè)的水平明顯提升，中國(guó)制造得到了全世界的認(rèn)可。逆向工程技術(shù)是目前制造業(yè)比較前沿的技術(shù)，它被廣泛應(yīng)用于汽車、電子、醫(yī)療、家電等領(lǐng)域，市場(chǎng)前景極為廣闊，在成品更新和設(shè)計(jì)思想新思維方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。本文將介紹逆向工程技術(shù)在模具數(shù)控加工中的應(yīng)用，主要介紹逆向工程的原理、應(yīng)用概況和數(shù)字化掃描、產(chǎn)品建模等技術(shù)。
1 逆向工程的應(yīng)用概況
逆向工程是目前比較前沿的技術(shù)，它的應(yīng)用和領(lǐng)域非常廣泛，比如汽車、電子、醫(yī)療等等，從實(shí)際效益上看也是相當(dāng)?shù)暮谩Ｄ嫦蚬こ痰膽?yīng)用大體上可分為以下幾種情況。首先，逆向工程被運(yùn)用于一些貴重藝術(shù)品和元件的修復(fù)或復(fù)制品制造，這也是它最初被使用的領(lǐng)域。修復(fù)中不需要對(duì)整個(gè)實(shí)物進(jìn)行修復(fù)，而是利用逆向工程技術(shù)提取出原始元件的設(shè)計(jì)思維，利用這種思想指導(dǎo)復(fù)制或修復(fù)工程。簡(jiǎn)單說，就是由實(shí)物逆向推出設(shè)計(jì)思想的一個(gè)過程，推理處的設(shè)計(jì)思想將被用于其它產(chǎn)品，這也是設(shè)計(jì)思想的一種更新方式。另一種是產(chǎn)品設(shè)計(jì)，當(dāng)設(shè)計(jì)人員遇到?jīng)]有圖紙或設(shè)計(jì)圖紙不完整，也沒有CAD模型時(shí)，可以對(duì)零件進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，以此來形成設(shè)計(jì)圖紙和CAD模型，并最終生成數(shù)控加工的NC代碼，這樣就復(fù)制出一個(gè)零件來。逆向工程一般是運(yùn)用在這種沒有設(shè)計(jì)的源文件，需要通過實(shí)際測(cè)量來定型制作模型的場(chǎng)合。這時(shí)通常零件都具有復(fù)雜的外觀，比如一些復(fù)雜的曲面，棱角等等，最終的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯⒊蔀樵O(shè)計(jì)這類零件及反求其模具的依據(jù)。另外，一些對(duì)美學(xué)設(shè)計(jì)要求高的領(lǐng)域也會(huì)采用逆向工程技術(shù)，主要是因?yàn)樵陔娔X上的縮略圖不能真實(shí)的反映出設(shè)計(jì)效果，而制作出的模型卻可以給人以真實(shí)的感覺，比如汽車的外觀設(shè)計(jì)等。
2 逆向工程技術(shù)的原理
逆向工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員沒有產(chǎn)品的數(shù)據(jù)資料和圖紙，有的僅僅是實(shí)物模型，這也是逆向工程區(qū)別于其他設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)。通常的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式都是由設(shè)計(jì)人員在計(jì)算機(jī)中建立產(chǎn)品的視圖或者模型，在計(jì)算機(jī)中繪制圖。逆向工程不會(huì)有這樣的步驟，即便是逆向工程也需要在計(jì)算機(jī)上形成模型，它們的文件是完全不同的。逆向工程的設(shè)計(jì)流程與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程完全不同，甚至截然相反。逆向工程中，產(chǎn)品是按照實(shí)物模型來設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)所需要的幾何數(shù)據(jù)，幾何特征以及技術(shù)要素都需要從實(shí)物中提取出來，進(jìn)而進(jìn)行再生產(chǎn)。這區(qū)別于向傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造，按照零件最終所要承擔(dān)的功能以及各方面的影響因素，進(jìn)行從無到有的設(shè)計(jì)，逆向工程更像是一個(gè)“從有到有”的過程。從設(shè)計(jì)之初的概念提出，到最后生成CAD模型，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一步都有明確的目標(biāo)，而且是一個(gè)清晰的過程。然而，逆向工程是通過實(shí)物尋找數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)思路的，更像是一個(gè)推理過程，逐漸逼近的過程。逆向工程中，首先完成的就是實(shí)物的數(shù)字化，一般是采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或激光掃描等較為先進(jìn)的測(cè)量裝置，準(zhǔn)確獲取實(shí)物表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后就可以利用CAD／cAM系統(tǒng)進(jìn)行三維模型的繪制，設(shè)計(jì)出客戶滿意的模型，最后生成數(shù)控加工所需要的代碼。當(dāng)然也可以生成零件的圖紙，然后機(jī)械加工。或者是生成STL文件，采用快速原型機(jī)加工。
圖1是逆向工程設(shè)計(jì)的原理圖。
圖1 逆向工程設(shè)計(jì)的原理圖
3 模具加工中逆向工程技術(shù)的應(yīng)用
逆向工程設(shè)計(jì)的領(lǐng)域很多，被很多大型的設(shè)計(jì)所使用，但是，模具加工還是一種低成本的逆向工程。經(jīng)過精密儀器的掃描，把實(shí)物掃描到計(jì)算機(jī)上，生成模型，進(jìn)行簡(jiǎn)單修改后生成數(shù)控加工所需要的NC程序，配合加工中心通訊，快速地制造出簡(jiǎn)易模具。
圖2是逆向工程工藝流程圖。
圖2 逆向工程工藝流程圖
利用逆向工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)模具數(shù)控加工的主要步驟有樣品進(jìn)行數(shù)字化掃描，獲取實(shí)物數(shù)字信息，然后產(chǎn)品建模，并進(jìn)行模擬仿真，下一步是后置處理和Nc程序的生成，最后就是數(shù)控加工。首先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化掃描，完成構(gòu)造三維模型，并進(jìn)行仿真，之后即可進(jìn)行工藝參數(shù)的設(shè)置(快速行刀面、刀具選擇、切削量、主軸轉(zhuǎn)速等眾多參數(shù)的設(shè)置)，然后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成銑削定位NCI文件，再進(jìn)行后置處理生成數(shù)控機(jī)床可以執(zhí)行的數(shù)控程序，之后要進(jìn)行模擬仿真，并且與客戶進(jìn)行溝通，確保無誤后就可以進(jìn)行數(shù)控加工，這就是大致的工藝流程。在整個(gè)流程中，數(shù)字化掃描和產(chǎn)品建模是最為關(guān)鍵的部分，他們分別肩負(fù)著第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料的采集和產(chǎn)品的最終形成，這兩個(gè)過程要十分謹(jǐn)慎，否則制作的產(chǎn)品可能會(huì)有大的出入。
3.1 數(shù)字化掃描技術(shù)
所謂掃描就是采用模擬式或者是非接觸的激光掃描側(cè)頭沿著模型的表面連續(xù)掃描。采集模型表面的坐標(biāo)值，通常每秒鐘可以采集十致上千點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后把采集的數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)。這是整個(gè)工藝流程最初的階段，也是最為關(guān)鍵的步驟之一，它負(fù)責(zé)第一手資料的采集，數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)采集的量決定了最終產(chǎn)品的精細(xì)程度。逆向工程是一個(gè)推理的過程，～旦數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差較大，設(shè)計(jì)人員就很難進(jìn)行推理，推理出現(xiàn)錯(cuò)誤自然就不會(huì)制作出產(chǎn)品。隨著科技的不斷發(fā)展，傳感器技術(shù)越來越成熟，結(jié)合數(shù)控技術(shù)和制造技術(shù)的進(jìn)步，市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多數(shù)字化的掃描儀器，甚至是掃描系統(tǒng)。這些為數(shù)據(jù)采集的精確度打下了好的基礎(chǔ)，這也是逆向工程得以廣泛實(shí)用的基礎(chǔ)。一般的，三維表面數(shù)字化技術(shù)可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸和非接觸的區(qū)別主要是掃描頭的工作方式，更準(zhǔn)確的說是傳感器的工作條件所決定。數(shù)字化掃描階段一定要謹(jǐn)慎，采集時(shí)不能急于求成，可以進(jìn)行多次采集，對(duì)比選擇最好的。
3.2 產(chǎn)品建模技術(shù)
在進(jìn)行完數(shù)字化掃描以后，我們得到的是一系列的空間離散點(diǎn)，實(shí)物模型最初的CAD模型就要靠這些離散點(diǎn)來完成，利用計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)，我們可以構(gòu)造出零件的CAD模型，這就是產(chǎn)品的建模。因?yàn)槌善纷罱K是依靠CAD模型生產(chǎn)的，所以這一階段完成了零件初步的模型設(shè)計(jì)。在CAD模型設(shè)計(jì)中，一般含有自由曲面的復(fù)雜型面，這時(shí)僅僅利用一張曲面來擬合所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的辦法是不可行，這種操作過于簡(jiǎn)單，不會(huì)生成我們想要的結(jié)果。一般的做法是，首先根據(jù)原形的特征，將測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)分割成不同的區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域擬合出一個(gè)曲面，通常這些曲面都是不同的，然后利用曲面求交和曲面過渡的方法將不同的曲面連接起來，形成一個(gè)完整的體。將所測(cè)得的三維數(shù)據(jù)有效地分割和擬合是產(chǎn)品建模的關(guān)鍵技術(shù)，這也是考驗(yàn)設(shè)計(jì)人員的地方。產(chǎn)品建模是實(shí)物模型建立的最初步驟，它的完成除了需要設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)技巧外，所使用的軟件也是相當(dāng)關(guān)鍵，好的軟件可以為設(shè)計(jì)人員節(jié)省大量時(shí)間，減小工作量。
目前在我國(guó)，有關(guān)逆向工程的研究與開發(fā)工作也在不少單位內(nèi)展開，如浙江大學(xué)、華中理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等。并取得一定的成果，如浙江大學(xué)推出了RE—SOFT軟件系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件產(chǎn)生的模型文件輸出格式有多種，其中常見的有IGEs、HPGL、STEP、DXF和sTL等。在國(guó)際市場(chǎng)上，出現(xiàn)了多個(gè)與逆向工程相關(guān)的軟件系統(tǒng)，如美國(guó)PTC公PR0／ENGINEER，美國(guó)AUTODESK公司的AUTOCAD，美國(guó)SDRC公司的l— DEAS，以及美國(guó)SOLIDW 0RKS的SOLIDw 0RKS，美國(guó)EDS公司的UNIGKAPHICS，法國(guó)DASSAULT公司的CATIA等。
3.3 數(shù)控加工主義的問題
首先，數(shù)控機(jī)床工序趨向集中，所需機(jī)床數(shù)量和零件的裝夾次數(shù)減少，加工效率就高，但工序過于集中，程序過長(zhǎng)，出錯(cuò)率高，并給檢索帶來困難等。所以應(yīng)根據(jù)零件加工內(nèi)容的多少及本廠數(shù)控加工設(shè)備的具體情況靈活決定工序的集中與分散程度。其次，遵循先粗后精工藝原則，對(duì)加工剛度較小的零件，粗加工后可能發(fā)生變形，需要校形或者消除殘余應(yīng)力并在精加工中修正誤差。最后，為消除重復(fù)定位誤差的影響，提高孔系的同軸度，對(duì)于同軸度要求很高的孔系，通過連續(xù)換刀來完成該同軸孔系孔的全部加工。然后再加工其它坐標(biāo)位置的孔。
4 結(jié)語
制造業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，近幾年中國(guó)制造走俏國(guó)際市場(chǎng)，這得益于我國(guó)制造業(yè)的水平的不斷提高。逆向工程技術(shù)是目前比較前沿的制造業(yè)技術(shù)，對(duì)這種技術(shù)的掌握和發(fā)展關(guān)系到我們搶占制造業(yè)份額。模具制作在逆向工程中只是一個(gè)小的應(yīng)用，但它極大改善了模具的質(zhì)量。本文我們簡(jiǎn)單介紹逆向工程技術(shù)的應(yīng)用概況以及它的原理，重點(diǎn)分析了逆向應(yīng)用技術(shù)的工藝流程，尤其是數(shù)字化掃描和產(chǎn)品建模技術(shù)，最后給出了數(shù)控加工應(yīng)該注意的幾點(diǎn)地方，希望能對(duì)同行有所幫助。
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本文標(biāo)題：淺析逆向工程技術(shù)在模具數(shù)控加工中的應(yīng)用
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