模具在制造業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，在其使用過程中不可避免地產(chǎn)生磨損或破損。

    對于表面磨損嚴(yán)重或有較大破損的模具，尤其是具有復(fù)雜曲面的模具，采用逆向工程的技術(shù)手段，可以獲得較好的修復(fù)效果。本文介紹采用逆向工程技術(shù)進(jìn)行模具修復(fù)的方法，并對其中的幾個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論。

    一. 表面數(shù)據(jù)采集

    基于逆向工程進(jìn)行模具修復(fù)的首要工作是表面數(shù)據(jù)采集，即分析被測對象的形狀、測量部位，再結(jié)合所選測量設(shè)備的特征參數(shù)（如測量范圍、測量精度等）制定測量方案。

    由于受測量系統(tǒng)的測量范圍限制，大型模型需分幾次完成型面測量。對于復(fù)雜型面，要注意投影編碼盲點和視覺死區(qū)等問題，此時需分區(qū)測量；對于模具上較大的磨損面，應(yīng)選擇測速效率高的數(shù)字化設(shè)備；對于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的表面，應(yīng)選擇可以進(jìn)行復(fù)雜輪廓測量的設(shè)備；此外，測量設(shè)備的精度應(yīng)高于后續(xù)分析的精度。為了高速、高精度數(shù)據(jù)采集，可以采用接觸式與非接觸式相結(jié)合的方法進(jìn)行測量。

    對模具破損區(qū)域測量后得到點云數(shù)量要足夠，以保證分析精度要求。

    二. 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

    采用任何測量方式、測量系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)均有誤差，因此，要進(jìn)行點云數(shù)據(jù)預(yù)處理。主要包括：多視點云拼合、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)精簡、數(shù)據(jù)分塊等幾個方面。

    2.1 多視點云拼合

    多視點云拼合，是將多個視角獲得的子區(qū)域信息統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系中。其方法主要有兩種：（1）通過專用測量裝置記錄工件測量過程中的移動量和轉(zhuǎn)動角度，由測量軟件直接完成點云數(shù)據(jù)的拼合；（2）直接操作點云數(shù)據(jù)，以獲得完整的數(shù)據(jù)信息和一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；此外，還有基于圖形的多視對齊等。

    多視點云拼合獲得的數(shù)字化模型，應(yīng)滿足磨損型面數(shù)據(jù)完整，以保證與磨損前模型對齊的精度，達(dá)到磨損分析的要求。

    2.2 數(shù)據(jù)過濾

    由于測量時受到不可避免的誤差和人為因素的影響，使采集點云并非完全落在實體上，會有大量的雜點（也稱壞點）。用肉眼能夠識別的雜點可以手工去除，其他可以采用標(biāo)準(zhǔn)高斯濾波法、平均濾波法和中值濾波法等去除，其中，高斯濾波法對保持原始數(shù)據(jù)的形貌有較好的效果，中值濾波在消除數(shù)據(jù)的毛刺方面效果較好。

    點云數(shù)據(jù)經(jīng)過濾后更平滑和連貫，更貼合實物特征。

    2.3 數(shù)據(jù)精簡

    過濾后的海量點云數(shù)據(jù)，在不損失模型特征的情況下需要精簡，以提高后續(xù)的工作效率。方法如下：散亂點云可通過隨機采樣精簡；掃描線點云和多邊形點云可采用等間距縮減、倍率縮減、等量縮減、弦偏差等方法精簡；網(wǎng)格化點云可采用等分布密度法和最小包圍區(qū)域縮減。此外，還有空穴填補和基于面密度概念的數(shù)據(jù)簡化法等。

    2.4 數(shù)據(jù)分塊

    根據(jù)實體外形曲面類型，將不同自取面類型的數(shù)據(jù)劃分為不同類型的數(shù)據(jù)域。

    點云分塊有基于測量的分割和自動分割兩類，其中，自動分割法包括基于邊和基于面兩種。點云數(shù)據(jù)分塊后，經(jīng)過曲面過渡、相交、剪裁等方法將多個分塊的曲面組成一個整體模型，以實現(xiàn)曲面重構(gòu)。

    點云數(shù)據(jù)預(yù)處理后所獲得的純凈數(shù)據(jù)，將為后續(xù)模型重構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

    三. 曲面重構(gòu)

    曲面重構(gòu)是逆向工程中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。曲面重構(gòu)是將點云數(shù)據(jù)通過插值或者擬合構(gòu)建近似實體原型的模型，主要包括曲面擬合和曲面建模兩方面的內(nèi)容。

    3.1 曲面擬合

    曲面擬合前，應(yīng)合理規(guī)劃幾何特征、選擇合適的算法和參數(shù)。曲面擬合后，應(yīng)保證區(qū)域內(nèi)的曲面擬合質(zhì)量以及特征線的曲面連續(xù)性。

    曲面擬合主要有兩種方法：

    一是由數(shù)據(jù)點擬合出樣條曲線，并對樣條曲線進(jìn)行曲率分析，確定誤差是否控制在允許范圍內(nèi)，否則要光順處理，直至合格；然后利用三維造型軟件擬合出曲面。

    二是直接對測量數(shù)據(jù)點進(jìn)行曲面片擬合，再經(jīng)過對曲面片的過渡、拼接、裁剪等操作完成曲面擬合。此時，要注意曲面之間保證曲率連續(xù)，對生成的曲面進(jìn)行誤差分析。

    3.2 曲面建模

    曲面建模目前主要是通過人工交互來實現(xiàn)。由于特征線是重構(gòu)曲面的邊界線，因此，利用特征線劃分點云區(qū)域，再以特征線為中心，利用軟件的點云數(shù)據(jù)處理、曲面修剪等功能，重構(gòu)出完整的曲面模型。

    曲面模型的幾何特征識別、曲面光順性與精確性，有賴于建模人員的經(jīng)驗和技巧。

    四. 三維實體化與區(qū)域特征提取

    在對上述曲面模型生成實體的過程中，會產(chǎn)生破損小曲面片，此時，將所有曲面按特征劃分為若干區(qū)域，對可能出現(xiàn)破碎片的圖層進(jìn)行檢查，清除破損片體，然后再縫合，得到破損模具三維實體模型。

    將破損模具實體模型與標(biāo)準(zhǔn)模具模型分析對比，利用三維軟件中的求差方法，獲得破損區(qū)域三維數(shù)據(jù)模型，提取磨破損區(qū)域特征。

    通過編程軟件對破損區(qū)域進(jìn)行軌跡編程，將生成的代碼通過機器人運行，在模具磨破損區(qū)域完成精確修補（如熔覆專用的金屬粉末等）。

    五. 結(jié)語

    逆向工程技術(shù)提供了新的模具修復(fù)的技術(shù)手段，對于提高修復(fù)精度和效率、降低模具成本、延長模具使用壽命具有重要意義。利用逆向工程技術(shù)進(jìn)行模具修復(fù)具有良好的發(fā)展前景。

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