逆向工程技术在航空模具制造中的应用姚菁

逆向工程技术在航空模具制造中的应用姚菁

姚菁王翠张宇岑杨佳壁

航空工业洪都江西省南昌市330000

摘要：近年来，我国的航空事业发展迅速，在对航空模具进行制造的过程中，要从航空模拟量飞机数字化制造和改型设计的客观要求出发。对逆向建模过程的误差分布情况进行分析，基于照相扫描设备提取样板轮廓信息，并通过曲线优化光顺、定位基准协调、曲面造型功能建立逆向曲面，最终通过三维激光扫描方法实现工装产品的在线检测，验证了逆向建模在航空产品制造中的应用。

关键词：模拟量飞机；逆向建模；三维扫描；检测

引言

逆向工程（ReverseEngineering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逆向工程简介

在广泛意义上，人们常称逆向工程为反向工程、反求工程及测量造型。逆向工程主要测量零件产品实物，同时还要处理相应的数据。在缺失设计图纸与CAD模型的时候，一般设计者都会采用逆向工程技术。作为一项专业技术，逆向工程技术的综合性却很强，这项新型技术不仅涉及到集材料学、生产工程学、计量学，还涉及到现代的设计理论。因为逆向工程技术能够重新认识新型产品，创新地开发新型产品，所以其不仅可以满足客户的不同用途，而且还可以高效输出多数据格式，如模具的具体加工以及快速模型的制作的多数据格式，从而在新型产品对市场需求的适应方面，逆向工程技术有效地提高了其发展速度。

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。

3逆向工程系统组成及关键技术

3.1曲线光顺技术

手工制造的样板精度有限，加之扫描过程造成的成像失真，光顺性和可操作性都难以满足实际使用要求，故对扫描后的数据进行近似优化，用优化曲线近似表示飞机零件切面轮廓的平面曲线。为了检验光顺后的曲线的精度，需要将逆向生成的平面曲线数据绘制在透明的聚酯薄膜上，测量平面曲线与样板之间的偏离值，按偏离值修正优化曲线。如果偏离较大，还要对光顺后曲线再修正、对比，如此反复，直到取得满意结果。利用ＣＡＴＩＡ软件进行曲线分析，调节曲线节次控制点数量，对扫描的线条进行优化处理。

3.2产品CAD三维模型重构

将前一步骤得到的瓶身三角网格模型导入三维设计软件进行进一步的实体化设计。首先，根据产品外形左右对称的特征，提取其三维特征，以瓶底为基准建立3个相互垂直的基准面（包括中间对称平面）。然后再结合关键点抽取、草绘样条曲线、混合或边界曲面、裁剪、镜像、组合等命令，完成产品外观曲面模型的重构。由于该设计目的在于瓶盖的改良设计，因此瓶身只要完成其外形曲面造型即可。

3.3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。

3.4三维扫描检测

基于逆向工程构建出模具数控模型，实现了模具产品数字化加工制造，掌握样板、模具数字化逆向的技术和方法，梳理样板、模具数字化逆向流程，将模拟量传递的实物数字化。如何验证加工制造模具实物与逆向数模的符合性，传统的检测方法有：（1）将成套切面样板按统一基准安装调平，采用塞规检测模具实物与切面样板的偏离值；（2）用计量设备进行取点检测，其弊端是计量设备需要在恒温恒湿的环境下工作，往往模具制造及计量不在同一区域，需要周转搬运模具实物，增加周转费用。随着设计制造能力的提升，零件采用整体一体化成形，势必要求大尺寸模具，然而现有计量设备无法满足大型、超重模具测量，在新型号研制过程中存在风险。如何改变传统模拟量传递检测方法成为当下急需解决的问题，实现航空产品的数字化制造、数字化检测。基于逆向扫描技术，充分利用现有三维扫描设备，开展数控加工模具型面信息快速在线检测，为大型模具检测提供参考依据。本文采用手持式三维激光扫描仪器ＨＡＮＤＹＳＣＡＮ３００扫描模具产品实样，用Ｇｅｏｍａｇｉｃ（三维扫描分析比对）软件分析比对理论模型和扫描实体之间的偏离值并生成三维检测报告，验证模具加工的正确性。为保证扫描数据的准确性，需要清除与扫描无关的物件，保持被扫描物表面干净、干燥，清除表面油渍。高反光表面、透明或半透明表面、黑色表面需喷涂显影剂。

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模具的制造

具体使用逆向工程技术之后，据其实物零件的相应的数字化点云来构造数字模型，紧接着生成具体的模型，并处理分析其工艺，归纳总结出一个合适且详细的关于模具设计的方案，构成以CAD三维技术为基础的模具总体设计。

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。

结语

综上所述，本文采用的逆向建模数据来源于样板实物扫描生成的数据集，符合模具实物原始制造依据，通过切面位置精度的控制，自由曲面光滑流线过渡。针对现有检测方法的不足，提出新的在线检测方法，开展三维激光扫描检测方法研究，采用云图直观显示比对误差，节省了检测过程的周转费用，在航空产品制造企业中有很广的推广价值。基于扫描点云逆向建模无法提取特征线信息，导致曲面与基准线协调不一致。本文通过样板实物扫描提取特征线信息，并在建模过程构建数字化特征线，确保了逆向曲面和特征线之间相对关系协调一致。

参考文献

[1]李庆,邢志勇.工业产品的逆向工程技术及应用[J].重庆文理学院学报(社会科学版),2016,(2):102-105.

[2]周子栋.逆向工程技术在汽车车身造型设计中的应用[J].中国设备工程,2017,(16):107-108.

[3]王鑫龙,孙文磊等.基于点云数据的逆向工程技术研究综述[J].制造技术与机床,2018,(2):49-53.