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1、中文译文：通过逆向工程的方法提高模具制造_rJL. Iuliano & P. Minetola摘要：现代的计算机辅助设计和计算机辅助制造连同五轴高速铣削减少了模具 制造的时间和成本。然而，为了使用模具，手工表面精加工和装配的操作要求仍然 很高。这些操作中，模具制造者通过手工操作修改铣削的模具表面。逆向工程技术 可用于质量控制中，测定机械加工后和装配后模具的尺寸和几何公差。产品的形状 变化有时决定于模具机加工已经完成之后。在这种情况下，如果可能的话，模具制 造厂家直接修改模具。因此最后真正的几何尺寸的模具不反映任何一个原始的 CAD 模型。本文的主要目的在于指出非接触式质量控制的好处和说明了模具
2、经过抛光和 装配后，基于逆向工程技术的数学模型更新与重建的这个过程,。该过程被试验用于 生产一种预先通过光学三维扫描仪的方法检查的塑料相机机身的模具。关键词：CAD模型逆向工程模具表面重建计算机辅助检查1. 介绍生产工具（更出名的名字是模具）在广泛的消费品制造业中是基本的元素。模具 的设计和制作在新产品的开发中是一个很漫长和昂贵的步骤。正是这种原因,任何 提高模具制造的努力都有利于减少时间和成本。如今,现代的CAD / CAM技术和五轴高速铳削1允许：模具的一个快速设计从CAD三维模型的部分开始；电火花电极的结构，要 克服与几何形状有关的问题而不是用铳刀加工的问题；新一代的数控刀具路径， 使用
3、计划开发来减少机械加工时间2； 高分子材料的成就在于粗加工的切除 率；完成后更好的尺寸公差和低粗糙度3,4。不管切割技术已经相差多远,在把模具投入使用之前,下列操作仍然总是被要求的：手工精加工，通过去除铳削和电火花加工留下的标志来获得光滑的表面；装 配，确保模具正确的关闭一方面,抛光和装配确保模具成型,但另一方面,他们用不以数学确定的方法修 改内腔表面。据此,最终真正的几何模具没有反映了任何一个原始的 CAD 模型（理想 的几何形状）。现在 CAD 软件资源不允许消除这种不一致。另一个方面,经常被忽视的,是介绍模具的微小变化。精加工完成后,模具有时 候被修改成反映产品最后的形状修改。在那种情况
4、下 ,模具制造厂家直接修改模具 而没有更新 CAD 模型。因此,可能会有问题:在组装期间，属于模具的那一部分；当模具因为磨损和折断不得不更换缺乏 CAD 模型和模具实际几何增大之间的定位，产品开发和发行的加工成本和 时间增加。逆向工程技术给模具制造商提供了新的机会克服这种问题。近年来 ，非 接触式数字转化设备主要在计算精度和若干点每单次数量测量扫描已经被改进。高 扫描速度使得用户允许在几秒钟内检索模具表面几十万（甚至百万）的点。高密度点 云所包含的信息既可用于模具的质量控制又可用于 CAD 模型修正5，6。彩色偏差映射图，显示结果为一个CAD数据和点云数据的对比，提供一个完整的 公差和偏差分析
5、。用三坐标测量机（CMM）逐点检查点位测量一些分散的点，那远远 超出我们能力范围7、8。评估型腔表面整体和局部的偏差，去鉴定机加工错误和探讨加工误差产生的原 因。在把模具投入使用之前，考虑模具型腔表面色差图，对减少安装时间也是有用 的。检查的结果扩展到整个图案表面和不限于一些逐点的措施可以分析：当模具的实际面比相应的CAD模型“更高”，定义重新机械加工的策略。这 意味着有一些残存的材料仍能去除。检测不可恢复的错误和调查这件事产生的原 因，当模具的实际表面比相应 CAD 模型“下”。 这意味着没有残余材料，供进一步 机械加工或手动整理。在这种情况下， 如果错误超出公差范围模具不能投入使用。另一方
6、面，逆向工程资源可用于更新模具数学模型，通过:模具的凹模和凸模的数字化，得到与输出一样的点云数据。母模表面的重 建。模具的三维CAD模型产生本文旨显示非接触式检查对比逐点测量的优势。在抛光和装配操作后，模具的 三维CAD模型更新也应该成为模具制造商一个好的练习。一个程序定义使用普通的 逆向工程技术和软件包来完成这一任务。2、插入数字化图像和检查（CAD模型比较）模具的插入件是由轻合金组成的（图1）。 在数控机床粗加工之后，凹模的形状由位于相机手柄微小的槽内的电火花进行 精加工。因为其规模,事实上,这些槽不能进行铣削加工。在铣削操作完成后凸模型腔的右半边没有被处理,所以它仍然显示45的交叉 铣削
7、的轨迹。另外一半的型腔机械加工后，反而进行抛光（图2）。这样的手工操作 被引入评估,是否非接触式扫描仪能正确区别不同的抛光两半边。为了指出非接触式检验的优势，模具的插入件被数字化用于GOM GmbH制造的 光学扫描仪ATOS标准（图3）。大型模具或产品的非接触式扫描比比接触扫描和底 切省时间，通过改变光学传感器的相对位置就可以很容易地数字化。此外，而现代 光学扫描仪的准确度和分辨率允许定义零件边缘有大量点进行测量。图1模具插入件的照片（外形尺寸:200X98X35毫米）图2凸模的不同的加工表面所选的扫描装置利用立体视觉，由于它有两个索尼XC75内置CCD摄像机（分辨 率768X572像素/ 8
8、位）光扫描储存的图像边缘投射在物体。投影机,放置在传感器 的中心,依次投影十幻灯片:4 张干涉图（相移技术9）后面跟着六条灰色编码第十 条、第十一条的二值图像。六位代码允许区分的 26-64 列的视野。考虑模具插入件的总体尺寸，扫描器在距离工作区域外600毫米160X200毫米的区域校正。这样配置的扫描仪的准确性就像装置说明书里一样为0.06毫米。图 3 三维扫描技术标准和带有参考点标记凹模在数字化之前，为了避免光反射金属典型表面的问题一层薄薄的白色不透明的 粉末是洒在插入件。此外，参考点应用于是插入件的粘合剂粘在目标（即标记）含有 较少的细节的区域。多重扫描是一个点云的自动记录，就像扫描软件
9、识别到了由标 记员创建的固定坐标网格。缺乏数据标记物覆盖的区域，但 GOM 的软件允许对象模 型完整的虚拟。错误记录显示在表1 是 GOM 软件在调整过程以标记的坐标格子为基 础计算的。Inus 技术有限公司的 Rapidform 软件是用来模具检测的。分成三角形的点云模 型和传统的 CAD 模型对比的结果，由软件计算并按照平均距离，标准偏差和最大距 离显示在表 1。照相机机身的外部表面修改的逆向形状将呈现出大放异彩。同样的投影被复制 到凸模的插入物。改进的模具插入物经数字化后,型腔表面根据曲线网络方法产生。 重构表面和点云数之间的最大偏差要小于 0.03 毫米。这样的结果是令人满意的，并 且
10、较大的偏差位于每个板块上的小范围内。图 16 修改后的凹模插入件尖锐边缘的计算错误最高，可能的原因是在数据数字化过滤中杂音应用重建精 度的 60%。（它对于软件是非常需要的。）使用这样的精确度,每个单个表面的重构误 差 （ 那就是不均匀点和相应的扫描数据之间的平均偏差）通常小于十分之一毫米 （10 微米）, 这就与摄像机机身的注塑模具公差高度一致。用更高的精度值，有时候，表 面生成算法缺少产生的不均匀曲线，因为在表面点自由度计算较少或生成的表面都 太过复杂以至于计算机辅助设计（CAD ）难以的正确掌握。柄上的沟槽表面产生相当 大的错误。或许,在这样一个区域比较好的不均匀曲线依靠细槽侧面曲线可能
11、会获得 更好的结果。通过型腔的重建表面加工固体成型的第一层产生 最新后的凸模CAD 模型（图 17）。图 17 凸模插入件更新后的 CAD 模型凹模上相应的孔是由实体之间布尔减创建的 ,为保证一个完美的装配。修改后的凹模（图 18）则是依靠重建表面的扫描数据塑造的。图 18 凹模插入件更新后的 CAD 模型7、 结论本文指出模具制造商如何从非接触式检测和反求工程技术模具制造标准中获 益。由于最近光学扫描仪的性能的改善，模具的非接触式质量控制为图形提供了尺 寸和几何公差的完整的信息，以在投入使用之前检查制造的工具是否正确。非接触 式检测也可以用来监控模具连续工作几周或几个月后的磨损和磨蚀。当使用
12、高强度 的模具材料时，这是特别令人关注的。另一个优势来自模具包括产品由于抛光和装配的手工操作关键修正的实际的 几何形状改变后原始 CAD 模型的更新。当刀具因磨损或折断被替换时，更新后的模 具 CAD 模型降低了生产和调整了次数。在本文中，一个相互作用的程序从扫描数据开始试验和确认重建和更新模具CAD 模型。 扫描阶段与无触点的检验是相似的，它的过程甚至更短暂：所有的模 具插入件都会在一个工作日内被数字化。表面重建的步骤与CAD模型的创造而是需 要更长时间，每个模具插入件都需要一个工作周来完成。每个板块的创造都依靠软件处理是一项艰难的工作，此外，操作员每一次都必 须互相配合以确保下一块表面的创
13、建。一旦曲线网络被创建，如果人们可以在自动 创建表面之前就可以立即选好所有的块，那么人类的干涉可能是不必要的了。关于模具的CAD模型的创建，经营者需要开发出建模功能使重建的标准表面转 化成实体。有时，返回到前面的步骤也是必要的，这可以减少不均匀曲线命令，因 为太复杂的表面不易于用CAD软件包来完成。为了简化相互作用的程序，宏指令可 能会被用作每个表面的创建。使重建模具数学模型的过程自动化的建议可以作为将 来更远的活动的出发点，这无疑需要改进用于实际的曲线网络创建的自动化软件算 法。毫无疑问，如今利用自动化的表面重建功能就可以在很短时间内获得模具或产 品的数字模型，但得到的模型其质量一般不高，而
14、且很难进一步修改其形状。如果 在最后一分钟有需要或问题需要解决，他会是一个很好的折衷办法。当缺乏模具或 产品更新的三维模型,为了使它保持可供未来设计使用，此时人类的干预的基本过 程时间更长。在这种情况下应该使用计算机辅助设计驱动的方法 ,效益存在在较高 的模型质量和物体形状修改的解除。作为一个额外的例子，这个被推荐的程序适用于大量定制产品的逆向工程：儿 童滑雪靴（图 19）在曲线网络定义时只有依靠用户交互作用才能方便执行扫描数据的细分，这样就能得到最终的高质量的 CAD 模型（图 20）实际上，重建的数学模型对于原始扫描数据只有一个小于0.01mm的平均偏差。 此外，通过适当的分割，表面灰色的
15、柔韧部分（小孩子穿进靴子的地方）从剩下的 靴子部分分开，所以重新设计雪地靴的时候这两部分可以单独分开修改。在逆向工程重建中关键的一步是数据扫描分割中的人类因素和对于获取可利 用的高质量数学模型的经验，这是很有必要的。一个可以代替用户干涉并且自动细 分的复杂系统还很远远不能实现。然而，在不久的将来，只要先进的软件算法将模具CAD模型的更新步骤简化， 那些普遍采用逆向工程模具制造厂商在他们的竞争对手将占有优势。参考文献：1 Urbanski JP, Koshy P, Dewes RC, Aspinwall DK (2000) High speed machining of moulds and d
16、ies for net shape manufacture. Mater Des 21:395-4022 Chiou CJ, Lee YS (2002) A machining potential field approach to tool path generation for multi-axis sculptured surface machining. Comput Aided D 34:357-371 doi:10.1016/S0010-4485(01)00102-63 Lin YJ, Lee TS (1999) An adaptive tool path generation flow chart f
