模具逆向技术流程解析

在产品的开发及制造过程中，几何造型技术已使用得相当广泛。但是，由于种种原因，模具企业从上游厂商接收的技术资料往往并非的模型，而是以复杂的自由曲线曲面组成的实物样件，有时，这为在后续的工作中采用技术带来了很大的困难，我们必须通过各种测量手段及曲面重构方法，将原有实物或影像转化为计算机上的三维数字模型，在与领域，这就是所谓的逆向工程或反求工程。
　　逆向工程的流程逆向工程是对产品设计过程的一种描述，是将产品样件或影像经过一定的手段转化为计算机上的三维数字模型的相关数字化技术和几何模型重建技术的总称。逆向工程的流程如所示。
　　所谓产品再创新设计，就是通过观察和测试某一种产品的实物、样件、软件（包括图样、程序、技术文件等）或影像（图像、照片），应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统分析和研究，逐一分析每个零件的材料、功能、内外形态、装配公差和制造过程，探索掌握关键技术。在充分理解产品的工作环境、功能及其制造过程的基础上，借助于数字化技术，优化设计出同类的更为先进的产品。实际上任何的设计，不管是创新、改进还是仿制，都蕴含着对已有科学技术成果的继承应用和借鉴。本文着重探讨逆向工程中的曲面重构、产品再创新设计等关键技术。
　　曲面重构技术目前，在逆向设计中，主要有三种曲面构造的方案：一是以或曲线为基础的曲面构造方案；二是以三角曲面为基础的曲面构造方案；三是由扫描点直接产生曲面，这种方案只适合于平坦的数据点，实际应用时由于测量的数据点较大、无序且点云矢量方向的不一致性，很少通过这种方案来重构曲面。
　　四边曲面重构或曲面常用于处理四边曲面重构。首先在专业的逆向设计软件或通用的软件处理数据输入，通过点过滤和线过滤技术将模型的数据量减少，跟踪草绘或自动提取方向截面曲线网格以及边界曲线等特征曲线，然后利用特征曲线直接构造曲面，或者是通过特征曲线界定曲面拟合区域，对不同的拟合区域生成不同类型的曲面片，通过延拓、求交、剪切和缝等操作，构成完整的曲面模型。特征曲线的构造在其中起着重要的作用。曲线的类型和曲线、曲面的光顺与否是应该特别注意的问题。
　　曲线的拟合及其类型复杂的自由曲线不能用初等解析式表示。逆向设计常用的曲线可由一组基函数及相联系的系数矢量定义，式中为单参数曲线的矢函数，为单参数曲线的基函数，为系数矢量。
　　通过已知型值点拟合曲线的方法有插值和逼近。
　　由于样件表面因制造或磨损等原因存在一些不光顺的区域，而且数字化过程也会存在数字化误差，插值算法严格地使曲线通过型值点，不仅不能保证还原曲线，还有可能引起插值曲线的严重不光顺。基于公差的最小二乘迭代算法可较好的解决曲线逼近性和光顺性的矛盾。曲线是由样条基函数和特征顶点线性组合而唯一确定。曲线在其基函数的定义中增加了节点向量，在控制点改变时，只会影响曲线的部分形状，具有较好的局部控制能力，而且还可以改变曲线的阶次来改变曲线的形状，适合处理比较平坦的数据点。
　　曲线除了具有曲线同样的局部调整性、凸包性、几何不变性等特性外，既可调整控制顶点和相应的权因子，还可利用型值点的参数化来控制曲线的形状，具有更大的灵活性，计算稳定且速度快，具有强有力的几何配套计算工具，包括节点插入与删出、节点细分、升阶、节点分割等，适合处理不平坦的数据点。
　　曲线已成为系统的基本几何表达形式和数据交换的国际标准。曲线的光顺光顺处理就是把曲线和曲面经过一定的数学处理使其符合光顺准则。关于光顺准则，一直存在不同的提法，还没有一个统一的数学的光顺度量准则。光顺可理解为光滑和顺眼两方面的含义。光滑是指空间曲线和曲面的连续阶，数学上一阶导数连续的曲线曲面为斜率连续的曲线曲面；数学上二阶导数连续的曲线曲面为曲率连续的曲线曲面；而顺眼是人的主观感觉评价。
　　曲线的光顺主要考虑以下几点：满足精度要求，控制点最少，二阶光滑，即曲率连续，曲线不存在多余的拐点；曲率变化比较均匀，曲率主方向尽可能一致；曲线曲率要大于将做圆角过渡的半径值。应变能最小或挠率的变化比较均匀。
　　曲线的光顺方法，一般分为两大类：整体光顺法，如能量法、最小二乘法、回弹法等，都是将光顺问题转化为目标函数的最优化问题，目标函数包括型值点的偏离和光顺两部分的加权平均，每次对全部型值点进行移动寻优。这类方法整体光顺效果较为理想，但计算量大，收敛速度慢；局部光顺法，如圆率法、基样条法等，都是选点修改法，每次只是对少数“坏点”进行选点修改。这类方法局部修改能力较强，计算速度快，但当坏点较多时光顺效果较差。在工程实践中往往要综合采用几种曲线的光顺方法并尽量利用系统提供的一些手段来提高曲线光顺效果。
　　在建立曲线时，利用投影、插补、逼近等手段生成曲线，然后通过其曲率梳的显示来寻找和修改“坏点”。当曲率梳在节点，两侧区间内同时发生符号改变时，将，记为最不光顺点，调整曲线的阶次、迭代次数、曲线型值点或控制点数量、起点及终点约束条件等来交互式地实现曲线的修改达到其光顺的效果，如所示。有时在构造曲线时，要考虑应用不同的型值点参数化方法或合理的曲线的生成和表达方式来满足曲线光顺的要求。
　　曲面的光顺曲线光顺只是曲面光顺必要的基础。由于样条曲面具有大量的控制顶点，曲面的光顺较曲线的光顺要困难得多。曲面的光顺主要考虑以下几点：曲面的、等参数线光顺；构造曲面时的网格线光顺；曲面与某一组等间隔且平行的平面的相交截面线光顺；曲面的高斯曲率变化均匀。光顺的曲面，应该是没有凸区和凹区的。在数学上，判断曲面凸性的依据是高斯曲率。当曲面上给定点的高斯曲率时，表明曲面的最大曲率和最小曲率同号，曲面在给定点切平面的一侧，曲面为凸曲面。当曲面上给定点的高斯曲率时，表明曲面的最大曲率和最小曲率异号，曲面在给定点切平面的两侧，给定点附近非凹。
　　曲面的光顺方法，常用的有能量法；小波分析方法；网格法等。能量法将曲面看成是一个薄板面，调整曲面的控制顶点，使其应变能量在满足一定的约束条件下达到最小。能量法的计算速度受控制顶点个数的限制，适合处理数据量不太大的曲面光顺。小波分析方法的基本原理是将曲面分为低频部分和高频部分，尽可能的剔除原曲面的高频部分，分解次数越多，低频成分保留的越多，所得的曲面越光顺。小波分析方法的优点是分解算法和重构算法速度快，光顺的同时具有数据压缩的作用，适合处理大数据量的曲面光顺。
　　网格法将曲面的光顺转化为曲面上�网格光顺，所谓网格的光顺，其含义是指沿两个参数方向网格曲线的光顺。网格法实际是曲线光顺算法扩展的曲面光顺算法，它在实际应用中收到了良好的效果，但网格的光顺不一定说明曲面的光顺；双向的网格光顺存在约束协调问题。
　　在系统中，检查曲面光顺的方法可利用对构成的曲面进行渲染处理，即通过****、透明度和多重光源等处理手段产生高清晰度的逼真性和观察性良好的彩色图像，再根据处理后的图像光亮度的分布规律来判断出曲面的光顺度。图像明暗度变化比较均匀，则曲面光顺性好，如果图像在某区域的明暗度与其它区域相比变化较大，则曲面光顺性差。
　　另外，可显示曲面上的等高斯曲率线，进而显示高斯曲率的彩色光栅图像，从等高斯曲率线的形状与分布、彩色光栅图像的明暗区域及变化，直观地了解曲面的光顺性情况。如所示。当曲面曲率变化比较均匀时，即可为达到设计要求。若曲面质量很差，需要对构成的曲线进行重新调整，直至曲面让人满意为止。
　　目前在系统中，曲面的设计与表示几乎都是通过电脑屏幕显示曲面的形状和分析结果。由于显示器屏幕尺寸及分辨率的限制，有时很难从屏幕显示结果对其光顺性进行准确的判断。基于曲面的光照模型的分析方法和曲面的断面线检查方法可从整体上把握曲面的造型风格和光顺性，克服电脑屏幕显示的一些缺点。在实际的产品中，产品型面往往由多张曲面片混合而成（如过渡、相交、裁剪等），因而，只用一张曲面去重构其数学模型是很难保证其模型的精度的。在曲面片之间实现连续，连续的方式包括位置连续、相切连续和曲率连续。首先要保证各连接面片间具有公共边，更重要一点是要保证各曲面片的控制线连接要光顺，这是保证面片连接光顺的必要条件。此外，曲面的网格线无多余的拐点，曲面高斯曲率要变化均匀。一般可通过修改控制线的起点、终点约束条件，使其曲率或切矢在接点保证一致。
　　光顺既包括有较严格的数学定义的参数连续性和几何连续性，同时兼顾审美学、加工制造、力学性能等功能性要求。逆向设计既要保证曲面的平滑度，又要兼顾设计精度。
　　三角曲面重构三角曲面由于对数据点预处理要求不高，可应用于任意边界形状的散乱点数据，构造灵活、适应性好等特点，一直受到重视。其曲面的表达形式为以三角平面片为基础的多面体。它首先建立数字化点云的三角形网格，接着在三角形网格的网孔内蒙上三角曲面。
　　具体过程是：对数字化点云进行三角剖分，建立一个三角形网格模型，利用这一模型对曲面的特征（如尖边、过渡等）进行辨识，然后利用辨识结果和用户给定的误差对三角形网格进行必要的简化和调整，使得网格表示的曲面模型与实物一致，最后在三角网格的网孔内构造三角曲面的曲面片。各个相邻曲面间实现连续。由于三角曲面的品质对三角形网格的连接关系十分敏感，因此三角网格的连接优化问题尤其重要。三角曲面的品质好，对后续重构：样条曲面或曲面就奠定了一个好的基础，反之，品质不好的三角曲面会严重影响重构曲面的光顺。三角曲面在表现形状方面最为灵活，它适应各种复杂的形状。不足的是它会产生相当多的节点和面片，数据计算量大，且其所构造的曲面模型不符合标准，与系统的通用曲面模型的转换不太方便。
　　重构曲面方案的规划重构一张高质量的曲面，除了熟练掌握曲面造型的方法和技巧外，通常还要综合多学科的知识和经验，考虑以下一些要点：
　　从曲面所要满足的功能去重构曲面。所有的产品都是为满足一定的功能而设计的，产品有主要面和非主要面之分，主要面是实现产品功能的基础面，是构成产品外观的面，非主要面一般指的是主要面之间的过渡曲面。主要面在精度和光顺性方面都有较高的要求。非主要面一般在光顺性方面有所保证即可。从功能的角度出发，造型步骤有时可得到很大的简化。
　　从曲面加工角度去重构曲面。曲面三维造型的最终目的是制造。塑料产品零件都由模具生产出来。因此，在三维造型时，要从模具的角度去考虑，在确定产品出模方向后，应检查曲面能否出模，是否有倒扣现象（即拔模角为负角），如发现有倒扣现象，应对曲面的控制线进行修改，重构曲面。重构曲面还要注意简洁。面要尽量做得大，张数少，不要太碎，这样有利于下一步模具数控编程加工，刀路的计算量会减少，文件也小。
　　将轮廓线删繁就简再重构曲面。我们看到的曲面轮廓往往是已经修剪过的，如果直接利用这些轮廓线来构造曲面，常常难以保证曲面的光顺性，所以造型时在满足零件的几何特点前提下，可利用延伸、投影等方法将轮廓线还原为轮廓线，并去掉细节部分，然后构造出“原始”曲面，再利用面的修剪方法获得曲面外轮廓。
　　三维建模曲面重构模型仅仅是实物几何空间形状或三维数据的获得手段，无法直接从重构模型进行改型设计和尺寸修改。下一步还要构建实体模型，完成产品中结构部分（实体）的造型。实体化可以赋予模型特征、质量、相关性和产品系统的关联，从而提高产品模型的再设计能力。
　　对产品零件中一些规则实体，如筋板、凸台等，可以利用通用软件的强大功能进行补充造型，也可以在此模型基础上完成局部创新设计。通过或或等文件格式将重构好的曲面模型输入到通用软件中，同时将规则实体的相关数据也输入到系统中进行补充造型。先建成所需形状的曲面，然后用该曲面去切割已有的实体，从而得到具有所需形状表面的实体。如果难以一次性地生成复杂曲面体，可以分别生成几个必要的复杂曲面，再进行曲面的延伸、求交、裁剪、过渡等工作，同时利用边界测量数据对曲面进行边界裁剪，作出必要的起闭合作用的曲面或平面，然后将这些表面缝合起来生成实体，得到需要的实体模型。
　　产品再创新设计产品再创新设计的目的是快速开发市场急需的优质产品。完成产品的数字建模后就可将模型导入软件（或模块）进行有限元分析和运动分析，根据模拟结果优化模型。通过快速原型设备可快速完成产品样件制造，对产品样件品质和精度进行初步评价。设备制作出来的模型比计算机屏幕提供了一个信息更丰富、更直观的实体，它包括用硅橡胶、金属粉环氧树脂粉、低熔点合金等方法将型准确复制成模具。软质模具适宜产品试制、小批量生产用注塑模，制造硬模具的中间过渡模和低熔点合金铸造模等。软质模具具有很好的弹性、复印性和一定的强度，在浇注成形复杂模具时，可以大大简化模具的结构设计，且便于脱模。软质模具的寿命一般为件。
　　根据多次优化后的模型可便捷的设计出产品模具的三维模型，对模具三维模型进行运动分析和注塑模拟，根据模拟结果再优化模型。将优化后的模具三维模型导入软件产生代码输入到数控机床进行模具数控加工，模具加工装配完成后，通过试模对注塑成型的制品进行品质和精度检验与评价，判断所用模型是否达到要求，否则可对产品及其模具的数字模型进行修改，最终设计制造出符合用户要求的产品。
　　本文以广东中山市某注塑模具企业的实际应用为背景，提出的曲面重构方案经过大量塑料产品开发实例的验证。实例说明它是解决复杂产品快速建模的一种有效手段，可以辅助设计者快速建立产品数字模型，提高效率和精度，改善视觉效果，实现产品设计的数字化。为后续的有限元分析、模具设计、加工等奠定了基础，并且能修改再设计以开发新的产品，缩短产品开发周期，从而创造出实用、经济、美观宜人的产品。