逆向工程技术在航空模具制造中的应用

逆向工程技术在航空模具制造中的应用

葛云鹏李汝佳

航空工业哈飞黑龙江150066

摘要：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，提出基于样板实现航空工装产品逆向建模方法。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：航空模具；逆向技术；三维扫描

对于模具的自主设计制造而言，其中最长用的技术就是逆向工程技术，它主要是在CAD软件的基础上，对模具产品的质量和有效性进行保证，从而控制模具的制造周期，提高产品水平，与目前需求相适应。

1逆向工程技术的作用

1.1数据采集

模具设计制造之前要做好数据采集工作，明确模具设计制造要求，设置参考点，校准应用的软件，利用仪器做好前期的准备工作。采用三维激光扫描系统对零件精确分析，并且在前期准备的过程中设置扫描需要的参考数据，在这个基础上将扫描获取的数据与模具设计制造要求合并，能够在扫描结果中获取到全新的数据。自定位技术在扫描过程中应用效果较为明显，需要将测量的精度控制在0．3mm左右，利用激光扫描仪器进行实时的数据处理。最终会生成需要的数据，保证数据精确，能够简化效果的应用。利用数据根据进行信息的输出工作，在扫描的过程中需要应用三维激光技术进行数据的定位，这样就实现了多角度零件的扫描。

1.2数字化建模

建模是逆向工程技术在模具设计制造中应用的作用。根据逆向工程技术特点构建几何建模，保证模具关键部分构造的科学性。建模的过程较为简单，但是其中的数据应用较为复杂，需要特殊的处理。并且同时要将图形应用其中。通过数据调整，改变密集度将其中的杂点进行去除。通过对模具区域性修剪，使数据更加的完整。要获取到更加完整的数据可以利用提取截面的方式。提取截面需要我们进行充分的准备，将零件点位置对齐，利用软件对零件进行扫描，将文件调入到软件中。分析文件主要内容，针对性的做好辅助。数据基准会通过零件点进行优化处理，并且根据后续初始数据将存储到更多的零件点。要对零件点进行过滤，排除其中的杂点，使零件点更加完整平滑，对于缺失的零件点要补齐，开展后续优化工作。降低零件点的密度，将多余的数据处理。做好数据的优化工作，将数据在模具中的应用能够更好地体现。才能加快数据的处理速度和准确性，使得零件对称基准而得以有效构建。

1.3数据处理

对数据进行扫描处理之后能够获取到三维坐标点，根据数据提供的参考完善设备性能，确认检测的物体形状、大小以及生产方式等。检测结果需要通过不同的数据获取。利用三维激光进行扫描使模具外形坐标数据更加的整齐，特别是边缘附近的测量数据。数据扫描能够降低误差，提升数据的处理逆向工程技术的应用效果。分割数据之后进行的重新组装，降低数据中噪点，根据数据特征预处理模型，强化建模效果，并且在数据排序中能够根据特点进行抽取。数据处理能够使逆向工程技术应用效果更加的突出

2逆向曲面的重构

2.1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，优化前后曲线曲率对比图如图２所示。

图２优化前后曲线曲率对比

2.2曲线定位协调。零件外形曲面的构造精度与品质直接影响模具逆向建模的质量，优化、对比合格的样板数据才能用于生产制造。本文中基于以定位基准

一致的原则进行协调，如图３所示，定义样板扫描后基准点１、基准点２连线方向的中点为坐标原点，连线方向为Ｘ轴，切面样板所处的位置平面法向方向为Ｙ轴，构建出每块切面样板的坐标系。将每块切面样板优化轮廓外形线通过坐标传递至理论坐标系下。借助样板中的空间定位基准，将光顺后的三维曲线作为曲面构造元素，参考模具图纸和相关技术文件，通过平移和旋转等操作搭建出空间曲线位置关系。

图３切面数据定位

2.3曲面造型技术

基于光顺优化的曲线样条线进行曲面重构，在ＣＡＴＩＡ软件中应用曲面造型模块功能构建曲面。本实例中分别采用多截面曲面、网格

ＮＥＴ曲面功能重构曲面，通过调节曲面的节次、连续性等控制因子生成曲面，对曲面进行光顺性、偏离性分析，如图４所示。在光顺面的基础上进行后期工艺设计，如建立产品工艺模型、模具模型等。无论用何种方法建立的曲面都应是在满足设计约束条件下的光顺曲线。

3逆向工程在模具修复中的关键技术

三维实体模型数字化。三维实体模型数字化是基于逆向工程的模具修复过程中的首要环节，其测量的数据将直接影响到模型重构的效果。由于模具的型腔处于模具内侧，加上其结构本身比较复杂，目前较为常见的数字化测量设备如激光式、结构光式和光栅式扫描仪等不能直接测量其轮廓，而层析法和工业CT法由于成本太高，不切合生产实际，因此采用阴阳模法对其进行修复。阴阳模法就是利用油泥或其他材料根据模具型腔结构制成模具型腔的阳模或样品零件，然后利用三坐标测量仪、光栅测量仪及激光测量仪等数字化测量方式对模具型腔阳模或样品零件轮廓进行数字化采集获取其点云数据，然后利用逆向工程软件进行点云预处理得到满意的点云数据模型，并对其进行曲面模型重构，待模型重构完成后再利用三维CAD软件反推出模具型腔的模型。模型轮廓数字化采集步骤为：

3.1选定测量部位根据样品结构和用户的具体要求，分析样件需要重点测量的部位

在对模型进行三维实体模型数字化之前，应对模型轮廓以及模型的特征进行详细的分析，确定模型的磨损区域。选择测量部位时，在选择被测件的磨损区域同时，还需选择未磨损或磨损区域较轻的区域以及具有基本特征的区域。这些区域的点云将用于后续的测量点云的多视拼合、模型对齐等，以保证磨损量分析的精度。

3.2选择测量设备

常用的数字化采集方法分为接触式和非接触式。由于测量原理的不同，各种数字化设备各有所长，对不同类型的模具所选用的测量方法也有所不同。因此在选用数字化测量方法时应注意一下因素：①对于磨损面积较大的模具，应选择测量速度较快的数字化设备，提高测量效率；②对于结构复杂的模具，应选用课测量复杂轮廓的测量设备；③数字化设备的测量精度应该高于后续分析的精度，一般来说，进行零件的磨损规律研究，需要高精度的测量系统。

3.3选择测量方案

对于一些形状比较特殊的模型，由于自身所具有的因素无法通过一次测量完成对整个模型轮廓的测量，这些因素包括：①复杂型面在投影上往往存在投影编码盲点和视觉死区，无法一次完成全部型面的测量；②对于大型轮廓模型，由于受测量系统范围限制，必须实行分区域测量。在对模型进行三维模型数字化之前，首先要分析被测对象的形状、需要扫描的区域，并结合所选测量设备的特征参数（如测量范围、测量精度等）制定出一套合理的测量方案。

3.4测量模型

根据已选定的数字化测量仪和制定的测量方案对拟定好的测量部位进行测量。逆向工程为模具修复技术提供了快速制造技术紧密结合，提高模具修复精度、效率，大大降低模具的成本，延长了模具是使用寿命和工作周期．从而提高了产品的竞争性。

参考文献：

［１］向涛．建立符合原有工装的飞机外形数学模型．2014

［２］严燕．基于样板实现飞机零件逆向建模2014．

［３］马霖．复杂零件正逆向重构建模技术及应用研究.2014