逆向工程在注塑模具设计中的革新应用

1.2 逆向工程中的数据采集
逆向工程要求按照产品的测量数据建立与现有CAD/CAM系统完全兼容的数字模型，这是逆向工程的最终目标。测量数据是逆向工程的第一个步骤，是数据处理、模型重建的基础。目前最常用的点云数据的采集设备有三坐标测量机、三维激光扫描机、多轴关节式机械臂等。
1.3 逆向工程软件
点云获取后，重构曲面的品质客观上取决于所选用的逆向工程软件的功能。逆向工程软件主要完成点云处理、曲线处理和曲匾处理3项功能，常用的专业点云处理软 件有EDS公司的Imageware，Raindrop Geomagic公司的Studio，DelCAM公司的CopyCAD，PTC公司的ICEM Surf、Pro/Designer(CDRS)、Pro/Scantools等。
Imageware等专业软件在处理点云数据时工作速度快，可以较容易地进行线/面的拟合，然而软件本身所提供的曲线、曲面创建工具较少，因此拟合得到的 线和面还需要在UG等通用三维CAD/CAM软件中进一步修改。而单独使用Pro/E、UG等软件读取、处理点云数据时，快速读取几十万甚至上百万个点的 数据量是比较困难的。因此，在具体工程设计中，往往采用专业软件进行点云数据处理，得到基本控制曲线，然后导入UG或Pro/E等三维软件来构造曲面、创 建实体。
CATIA软件是法国达索公司与美国IBM公司共同开发的具有工业领先水平的CAD/CAE/CAM软件包。它在曲线、曲面造型方面具有独特的优势，比如 其特有的高次(能达到15)Bezier曲线曲面功能，能满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求。CATIA软件包含点云处理、实体造型、曲面造型、数控加 工等模块，完全可以在一个软件里对点云进行删除、过滤、创建特征线、铺面、修补、曲面品质分析等操作，得到高质量曲面，并将曲面转换成实体，而后生成刀路 轨迹用于数控加工。
2 CATIA逆向功能模块简介
CATIA逆向上程使用数字曲面编辑器(Digitized Shape Editor，DSE)、创成式外形设计(Generafive Shape Design，GSD)、快速曲面重建(Quick Surface Reconstruction，QSR)、自由曲面造型(Freestyle Shaper，FSS)等模块来进行逆向操作。
DSE模块可用来处理点云文件，该模块可以对点云进行导入导出、分析过滤、网格铺面、绘制交线等操作。对于分块扫描的大型零件，DSE的分割拼接功能可以 对点云文件依据对准球(测量点云数据时人为设置的小圆点，作为后续工作两部分点云对齐的基准)进行拼接，将各块点云数据合并为一个整体的零件点云。使用 DSE模块的最主要目的是通过对零件点云数据的分析、处理，从而获得点云网格面特征交线，这是正确拟合曲面的基础。
QSR模块可以将DSE处理后得到的点云网格面特征交线进一步转变为空间曲线，使用曲面拟合命令，以点云为参考、以空间曲线为基础拟合得到高质量曲面。其带有的曲线分析工具可以分析空间曲线与点云网格面特征交线之间的误差。
GSD和FSS模块是使用CArllA进行三维曲面设计的主要工作平台，在平台中可使用线架和表面特征快速建立从简单到复杂的任意形状曲面，这两个模块有 大量创建和编辑曲面的设计工具。在逆向设计中，主要是应用这两个模块拟合和拼接曲面的功能，形成完整的结构外形；同时对孔、筋、圆弧等细节部分正向重建。 FsS模块的曲面分析功能可用于所有类型的曲线、曲面分析，将重建的拟合曲面与点云或网格面进行曲面分析，可以得到误差分析图，便于验证重建曲面的正确 性。
简单外形的零件一般采用DSE及QSR两个模块即可完成曲面的构建；具有复杂外观及有多孔、多筋的复杂零件，在DSE及QSR处理得到整体曲面结构后，还需要在GSD和FSS等模块里进行细部结构的重建与修饰，最后生成的实体在FSS模块里进行曲面品质分析。
3 设计实例

图2汽车仪表盘

图2为某汽车注塑仪表盘实物。该仪表盘由需求方提供模具生产，没有图纸或数字化模型。由于注甥材料的腐蚀，使用一定时间后模具型腔部分尺寸发生变化，造成制品安装尺寸超差。但该模具最初验收时试模的样件还在，因此可以采用逆向工程重建零件数字化模型。
采用台湾智泰公司生产的三维激光扫描机对样件的点云数据进行采集。由于产品外形限制，将样件分段扫描，整个点云文件分成5部分。笔者以左侧面的点云处理为例进行逆向操作说明。

3.1 点云滤除
在逆向工程中，用户从测量仪器获得的点云数据数量非常庞大，通常数据之问没有显式的几何拓扑关系，包括大量无用数据，这会降低电脑的处理速度，需要进行处 理来减少点云数据的数量。点云处理的原则是在曲面变化平缓的部位取点的密度可稀疏，在曲率变化较大的部位及细节部位密集取点，如此一来需处理的点的数量就 会变少。在CATIA中，可以使用删除和滤除的方法去除的多余噪点。图3为滤除处理后的点云。