摘要：随着精密模具的崛起，模具开发周期缩短。用逆向工程技术快速、准确的获取复杂物体的设计数据，已成为了主流CAD/CAM设计软件的有机补充，且在模具快速制造中的应用日趋成熟。
引言
近年来，在汽车、电子产品等领域，人们越来越多地采用逆向工程技术来部分替代使用多年的原型设计方法，在国外，逆向工程已经作为一种先进的设计方法被引入到新产品的设计开发工作中。我国也有许多企业应用逆向工程技术，对自己的产品进行改进，避开艰苦的原型设计阶段，这是一种产品的再设计过程。
逆向工程是指由实际的零件反求出其设计的概念和数据的过程。传统的过程是将产品的概念或（CAD）模型转变为实际的零件，而逆向工程则是将实际的零件转变为产品的（CAD）模型或概念。采用这一技术的目的是提高技术水平，缩短生产周期，降低生产成本，提高生产率，增强经济竞争力。据统计，逆向工程作为一种掌握技术的手段，可使产品研制周期缩短40%以上，极大地提高了生产率。因此研究逆向工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高具有重大的意义。
逆向工程并不仅限于样件的复制,其目标是实现一种智能化的三维扫描识别重建系统，不仅要获得物体的基本数据,而且要对数据进行必要的处理,建立相应的计算机模型等。因此它在实际生活生产中有着广泛的应用，例如：样件的仿制、样件的修改、模具制造、旧产品的改进、新产品的设计、单件产品快速定制等方面。本文研究了接线盒上盖的逆向工程技术及其应用。
1 点云数据处理
一个完整的逆向工程系统，除数据的采集装置外，还有计算机数据处理、数控加工和快速原型制造系统。典型的逆向工程系统可以在三坐标测量机上进行数据采集，获得模型表面的线框模型，然后生成数控程序。此外，也可以通过接口，与CAD/CAM系统相连，生成数控程序进行数控加工；或生成零件图纸采用机械加工加工出零件；或生成STL格式模型文件，采用快速原型机加工。如图1所示。
1.1 数据的采集
在逆向工程技术中，CAD模型数字化是最关键的一步。只有获得准确的测量数据，才能进行误差分析和曲面比较，进一步CAD建模和曲面重构。目前，国内厂家使用较多的有英国、意大利、德国、日本等国生产的三坐标测量机和三维扫描仪。三坐标测量机（CMM）是目前被广泛采用的接触式测量方法，这种测头与被测物体直接接触，获取数据信息。日本 Roland 公司的 PICZA PIX-30 三维实体扫描仪是接触式测量装置, 对接线盒上盖进行扫描。如图2所示。
PICZA PIX-30 三维实体扫描仪能够以低廉的价格在桌面上进行专业而强劲的三维实体扫描，能够扫描的实物包括：各种工业材质、粘土模型、玻璃、水晶、色彩丰富的物件，甚至还包括鲜果和鲜鱼。扫描步骤如下：
第一步 以橡皮泥为衬垫，把接线盒上盖放置在工作台面上。
第二步 双击桌面[DrPICZA]图标，新建文件。然后选[Control]/[Scanning area],调试扫描区域，改变在X、Y方向上的数值，使扫描区域略大于上盖所覆盖的区域，以达到节省时间的目的。
第三步 点击[Begin Area Test],进行设置参数，在X scan pitch 中输入值1mm,Y scan pitch中输入值1mm ，Z Botton中输入值15mm，点击[Draft]，进行初步扫描。
第四步 完成粗扫后，再次点击[Begin Area Test],进行参数设置，在X scan pitch 中输入值0.5mm，在Y scan pitch中输入值0.5mm ，Z Botton中输入值 15mm，点击[Fine]，进行精扫。获得数据以iges文件格式保存，如图3所示。
1.2 数据处理
数据处理的重要工作之一，是利用软件对扫描的数据点进行编辑，提供的编辑功能一般包括数据调整、复制、区域修剪、数据光顺、噪音去除、尖角保留等。对不同的数据块，可以通过平移、旋转变换等方法进行坐标变换，使其所有数据具有共同的坐标基准，从而得到品质优良的曲线或曲面模型，并通过标准数据格式将这些曲线曲面数据输送到现有CAD/CAM系统中，在这些系统中完成最终的产品造型。ImageWare是著名的反求工程软件，广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件领域。Surfacer是ImageWare的主要产品，主要用来做反求工程，它处理点云数据的流程遵循点（点云处理）——曲线（曲线创建）——曲面（曲面创建）原则，整个流程简单清晰，软件易于使用。
经过点云处理过程，去除噪音点，并创建参考几何，创建相应的对齐实体后得到对齐后的视图如图4所示。
2 零件原型CAD模型的重建
当零件原型数字化后形成一系列的空间离散点，生成原型的CAD模型就是在这些离散点基础上，应用计算机辅助几何设计的有关技术，构造零件原型的CAD模型。通常对于含有自由曲面的复杂型面，用一张曲面来拟合所有数据点是不可行的。一般首先按照原型所具有的特征，将测量数据点分割成不同的区域，分割以后应用曲面求交或曲面间过渡的方法将不同的曲面连接起来构成一个整体，有效的三维测量数据分割和拟合技术是逆向工程中的重要内容。
依次选中规则点作为端点及控制点，应用拟合功能生成自由曲线，如图5所示。将曲线分成若干区域，各区域内的曲面创建后，形成光整曲面。
依次点取上述曲线创建出一个放样曲面，如图6所示。由于顶部呈扁平状，所以使用由边界曲线创建曲面的方法来拟合这一个曲面片段，得到如图7所示。使用拉伸命令，创建出一个厚度为2.5mm的薄壁件如图8所示。
3 模具零件的生成
采用逆向工程技术所创建的塑件三维模型，还可以结合正向工程，按用户需要，可以按功能要求进行参数化修改，完善其几何形状和尺寸。这种方法在模具设计与制造行业中应用十分广泛。
这里使用SolidWorks下的IMOULD插件来完成型芯型腔的制造。IMOLD用来进行注塑模的三维设计工作。
凸凹模设计:如图9所示，最上面浅绿色部分为凹模表面，最下面粉红色部分为凸模表面。创建拉伸曲面，输入距离值为25mm，如图10所示。创建一个凸、凹模的外形轮廓，如图11所示。生成的凸模和凹模，如图12所示。
4 模具零件NC程序的生成
通过反求工程技术CAD创建三维模型，可直接进入CAM系统或通过文件转换进入比较独立的CAM软件进行刀路轨迹计算，生成刀路源文件，通过后置处理获取模具零件的数控加工程序，用于数控加工。这里采用MASTERCAM软件来进行刀路轨迹计算，生成NC程序。
凸模刀具路径的生成:大多数曲面都需要两大类刀具路径，即粗加工和精加工，才能完成其曲面的加工。曲面粗加工刀具路径是用于尽可能快速切除工件的材料，达到缩短生产周期、提高生产效率的目的。
粗加工:平行铣削，选取8mm球刀。在曲面加工参数下参考高度设置为50.0mm采用绝对坐标，进给相对位置设置为5.00mm采用相对坐标，刀具补偿设置为中心，采用快速提刀。在平行铣削加工参数中，将切削方向公差设置为0.1mm，切削步距设置为7mm，最大Z轴进给为2mm，切削方式选用单向切削。切削方向公差参数是设置曲面的刀具路径的精确度，较小的切削方向公差，可得到更精密的刀具路径，但是要花较长时间生成刀具路径，并生成较长的NC程式。最大步具参数是设置切削间的步进距离，最大步距的较小值，可得更高的精密度，但是产生刀具路径时间长。
精加工:由于考虑到该零件外形呈圆弧状，为了更精确的加工出其表面形状，首先使用放射状加工，选取4mm球刀。在曲面加工参数下参考高度设置为50.0mm采用绝对坐标，进给相对位置设置为5.00mm采用相对坐标，刀具补偿设置为中心，采用快速提刀。在放射状加工参数中，将切削方向公差设置为0.025mm，切削方式选用双向切削。为了得到更高质量的曲面，在加工工程中可以使用多道精加工工序，最后再使用等高外形的精加工,选取4mm球刀如图13所示。
生成NC程序。在跳出的对话框中，选择全选按钮，然后选择后处理。将目前所使用的后处理程式设置为MPFAN.PST，选择生成NC文档，得到如下加工命令:
%
O0000
(PROGRAM NAME - CE)
(DATE=DD-MM-YY - 30-04-05 TIME=HH:MM - 15:37)
N100G21
N102G0G17G40G49G80G90
/N104G91G28Z0.
/N106G28X0.Y0.
/N108G92X0.Y0.Z0.
( 8. BALL ENDMILL TOOL - 1 DIA. OFF. - 1 LEN. - 1 DIA. - 8.)
N110T1M6
N112G0G90X-11.Y-15.A0.S1909M3
………
N906Z50.
N908M5
N910G91G28Z0.
N912G28X0.Y0.A0.
N914M30
%
采用同样的方法可生成凹模的加工程序。
5零件的快速成型
采用TSJ快速成型机对接线盒上盖进行快速成型。TSJ系列快速成型机是一种台式高效快速成型机，其成型系统原理图如图14所示
将以前拟合好的文件以STL格式导入，对喷嘴温度进行预热,设置参数,进行加工，如图15所示。图16为经过快速成型后所得到的零件。
6 结论
本文分析了接线盒上盖逆向工程技术，说明了样品进行数字化扫描、产品建模、模拟仿真、后置处理、NC程序生成和数控加工过程。随着开发周期的缩短，以实物为设计依据的逆向工程技术，已成为三维设计系统的一个有机补充部分，可大大缩短加工周期。对于零件的复制，逆向工程具有相当的实用价值，特别是在零件形状复杂的模具制造，实物零件仿制场合，它不但能够有效地提高复制的精确度，还能在很大程度上缩短整个模具的开发周期，更重要的是提高了模具设计与制造质量。同时，整个逆向工程是许多计算机辅助高技术模块的集成应用，将有助于提高整个模具的技术含量，提高企业的竞争力。
参考文献
[1] 许鹤峰. 数字化模具制造技术.化学工业出版社，2001.
[2] 朱心雄.自由曲线曲面造型技术.北京科学出版社，2000.
[3] 杜昌松.数模造型及数据扫描在汽车模具制造中的应用，机电一体化，1998.
[4] 张丽艳.逆向工程中模型重建关键技术研究[Ｄ].南京:南京航空航天大学,2001.5.
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[6] 郭良刚等.反求工程技术在复杂型面模具设计中的应用研究[Ｊ].模具工业,2002,(1):12～17.
