逆向工程技术在模具产品开发中的应用

王志伟

（扬州市职业大学机械工程学院，江苏 扬州 225009）

逆向工程（Reverse Engineering简称RE），又称反求工程或逆向设计，是将已有产品模型（实物模型）转化为工程设计模型和概念模型，并在此基础上进行工程分析和再创新设计的一种方法和应用技术，可有效提高产品的技术水平，缩短设计周期，增强产品竞争力，是消化、吸收先进技术，创新和开发各种新产品的重要手段。现代制造业是国民经济发展的支柱，其生产过程会应用到逆向工程技术。特别是在模具的设计生产制造中，逆向工程体现出的优势更加明显，对提高模具行业整体发展具有重要作用。

1 逆向工程技术简介

逆向工程是对产品设计过程或方法再现的一种技术，通过逆向分析和研究目标产品，得到该产品包括组织构成、功能特性在内设计要素，从而制造出功能类似且有一定创意的产品。逆向工程最早应用于军事和商业领域，其主要目的是在不能轻易获得必要的生产信息的情况下，直接从成品分析推导出产品的设计原理。

目前在汽车、飞机、船舶、模具等重要工业领域逆向工程都有着广泛的应用，尤其体现在一些具有复杂表面结构的零部件设计加工过程中。例如汽车外壳、发动机叶片、轮船或潜艇螺旋桨、柴油机进气排气管道等。此外，针对只有产品原型或实物模型，而缺少或没有产品说明图纸进行需要重新设计和制造时，逆向工程有着特别的价值。

2 逆向工程工艺流程

逆向工程通常是对某一实物样件或模型（称为零件原型）进行仿制。目前，针对已有样件（尤其是包含有复杂不规则自由曲面的样件），可利用三维数字化测量仪器准确、快速地测量出产品外形数据，在逆向软件中构建曲面模型，再输入CAD/CAM系统进一步编辑、修改，由CAM生成刀具NC代码（加工路径）送至数控机床（CNC）制作所需模具，或者由快速成型机（RP）将样品模型制作出来，其流程如图1所示。

图1 逆向工程工艺流程图

3 逆向工程系统组成及关键技术

3.1 逆向工程系统组成

逆向工程需要使用精密的测量系统来测量样件轮廓三维尺寸，再对取得的各点数据作曲面重建、分析及加工成型。逆向工程系统主要由三部分组成：产品实物几何外形的数字化、CAD模型重建和产品(或模具)制造。

3.2 逆向工程关键技术

（1）数字化测量技术。利用逆向工程处理的产品，在结构特征和尺寸表达上一般具有难以掌握的特点，例如深窄孔槽结构，复杂曲面外形等。因此，逆向工程首先要选择合适的测量方式，得到所需要的数据，才能展开后续模型的构建。数据的测量质量直接影响最终模型的质量。逆向工程测量方式具体分为两大类：接触式测量与非接触式测量，如图2所示。

图2 逆向工程常用测量方法

（2）数据预处理技术。产品结构特征数据一般是由坐标测量机采集得到，但无论是何种测量方式，接触式（如数控测量机）或是非接触式（如激光扫描仪），都会不可避免的产生误差数据，尤其是在产品尖点、棱边、突变处所测的数据，过大的误差会导致相关点或曲面产生变形，偏离产品原有特征。因此，在模型构建之前必须进行数据预处理，将异点、坏点剔除并精简数据。

（3）CAD三维重构技术。在逆向工程中，原有实物的三维CAD模型重建是整个过程最关键、最复杂的一个环节。这是因为，后续的产品加工制造、快速原型制造、虚拟制造仿真、工程分析和产品的再设计等应用都需要CAD数学模型的支持，这些应用都不同程度地要求重建的CAD模型能准确地还原实物样件。

（4）模型质量评价技术。逆向工程是依据产品的实物模型经重新构建得到产品的CAD三维模型。该CAD模型不仅可以对原有产品进行重新仿制，通过结合优化设计、结构分析等技术，还能实现原有产品的改进和创新，但都存在一个共同问题，所构建的CAD模型能否还原产品实物，或还原误差多大是可接受的范围，必须要有相对应的模型精度评价标准。其主要解决问题包括：①逆向工程所构建模型与实物模型的误差程度。②所构建模型是否在可接受的范围内。③制造加工出的产品是否与构建模型特征相吻合。

4 逆向工程与模具产品开发

4.1 模具设计

在模具新产品开发设计过程中，大部分提供模具产品的信息都不是CAD数字模型，甚至实物样件的图纸都没有。模具设计师面对这样情况，首先要做的就是通过三维数据测量仪器将实物模型重新构建出来，转化为CAD模型，在此基础上再对模具进行设计和制造，如分型面、浇口位置、收缩系数的确定等。新测量技术的应用，对外观复杂或结构精细的零件都能很好的还原，为新模具设计开发节约了大量的时间。

4.2 模具制造

在模具的试模与修整过程中若不合适，可能起到牵一发动全身的效果。关系到模具的重新再设计，从而产生一系列大量数据的处理。逆向工程减少了这方面的麻烦，通过对物体表面数据的采集与再创新，减少再设计步骤，优化产品设计。

4.3 模具修复

传统模具设计都是利用机械加工设备对原有模型进行等比例制作，无法建立和保存设计加工过程中的数字信息，出现问题时只能手工修复，对后期检测、维护带来极大的困难。随着逆向工程在模具行业的应用，提高了模具的可修复性和重新设计开发的能力，如图3所示。当模具设计制作得到的产品存在不满意的地方时，利用逆向工程技术，对以往复杂的修复工序变得很容易进行，同时保证了修复的质量，减少了设计人员的额外工作。

4.4 模具检测

很多模具生产企业利用三维扫描仪器和评价软件，可以在模具产品成型阶段进行形状预评估，将生成的CAD数据转化为颜色误差编码图如图4，通过比较分析，检测出产品可能存在的缺陷，在前期阶段反馈到模具设计中，提高了模具开发效率。

图3 破损模具快速修补

图4 模具修复后的检测

5 结语

逆向工程技术改变了传统的模具产品设计开发模式，通过结合CAD/CAM和快速成型等技术，不仅能够缩短整个产品的设计制造周期，更重要的是在产品精度、产品质量方面，得到很大的提高，对推动模具及其相关行业的发展具有重要意义。本文简介了逆向工程技术的发展过程，阐述了其工艺流程、系统组成和关键技术，从模具设计、模具制造、模具修复和模具检测四个方面重点分析了逆向工程技术在模具产品开发中的具体应用。