1 引言

　　逆向工程技術是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據測量數據通過三維幾何建模方法重構實物的CAD模型的過程。采用逆向工程技術，不僅能夠得到實物的精確數字模型，而且還可以進一步修改并生成新的數學模型和產品工程圖，從而快速實現產品的消化吸收和創新。逆向工程技術的應用，不但縮短了產品開發周期，而且提高了產品創新的成功率，它已經成為企業產品開發設計的重要途徑之一。逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等諸多方面，是一個復雜的系統工程，下面介紹應用NX/WAVE進行空調分體機的形狀反求，也稱逆向設計。

　　原先用于注塑生產的空調分體機的模具是從國外進口的，在經過長期的注塑生產后，模具已經磨損，生產的塑件難以滿足產品技術要求。如果重新進口整套模具，則費用昂貴，等待時間長，企業難以承受。基于當前市場激烈競爭的多種因素考慮，決定對該空調分體機進行反求設計，建立各零件的3D數字模型，并以此進行模具的重新制造。

　　與單零件的反求設計相比較，空調分體機整機的逆向設計不僅要考慮各零件的形狀精度，而且還要考慮各零件間的裝配關系，數據測量、處理與設計過程要復雜得多。

　　2 空調分體機的數據測量

　　實物的數字化是逆向設計實現的第一步，是曲面重建和模型構建的基礎。因此，高效、高精度地實現空調分體機的表面數據采集，是其逆向設計的關鍵之一。

　　(1)測量設備

　　空調分體機的各零件為殼體注塑件，各零件表面曲面的面積不大，并且曲面形狀復雜度不高，多筋條和窗口結構是構成各零件的主要特征，見圖1所示。結合空調分體機的形狀特點，采用三坐標測量儀(CMM)進行測量，獲取的測量數據精度高，并且可根據零件形狀的特征靈活地確定數據采集的位置和數量，完全可滿足空調分體機的逆向設計要求。

　　圖1 空調分體機的結構特點

　　(2)測量對象

　　由于空調分體機各零件的模具結構復雜，局部型腔空間范圍小，限制了測量探針的移動，需要測量型腔和型芯才能獲取表達零件的完整數據，這難于確保兩次測量數據的基準一致而引起誤差，并且使得后期數據處理工作量大且難度高。相反，直接測量空調分體機而獲取數據，由于測量探針的移動、定位無限制，一次測量就可獲取各零件所需的完整數據，并且所有零件的測量數據都基于同一基準，真實地反映了各零件的裝配關系。

　　(3)測量規劃

　　測量規劃的目的是精確而又高效地采集必要的特征數據。將空調分體機的各零件按實際裝配關系裝配在一起，在容易變形的位置使用硬物進行緊固，以防止變形影響精度。測量前，針對各零件的外形與結構特點，預先推測可能采用的建模方法、需要哪些數據，有目的地獲取零件外形和結構的特征數據，使測量數據少、齊、準。測量時，依據“從上到下、由外到內”的順序，逐一測量空調分體機的整體外形、面罩、底座等零件，當完成了一個零件的測量后，就拆卸該零件，再依次測量下一個零件，直至獲取所有零件的完整數據為止。

　　3 空調分體機的模型重構

　　空調分體機包含多個零件，結構復雜，反求設計工作量大、時間緊，采取多人并行地進行逆向設計，實現關鍵幾何數據共享和部件間關聯建模，減少重復的逆向設計工作，這是空調分體機模型重構的核心。

　　(1)設計機制

　　并行地進行空調分體機逆向設計，需要建立合理的設計機制，協調團隊的設計行為和幾何數據傳遞。設計機制的主要內容包括：設計任務的具體分工和權限分配;產品結構裝配樹的建立、產品關鍵骨絡框架幾何體的創建及傳遞路線;各零件間的幾何數據關系;當遇到設計問題時的處理原則，以及協調處理;逆向設計結果的驗證與更改。

　　(2)數據處理

　　采集數據的精確度和完整度將很大程度地決定重構模型的質量。由于空調分體機存在孔、槽等形狀特征，使得探頭無法接觸測量而形成數據缺漏。此外，由于零件的尖銳邊緣或其它因素，測量數據中會出現壞點。這些壞點和數據缺漏嚴重影響了后續模型重構的質量，因此，在空調分體機模型重構之前，需對測量數據進行必要的處理，主要包括剔除異常數據、補齊遺失點、數據對稱等工作，為后續由點數據擬合或逼近為外形特征曲線做準備。

　　對于測量數據中存在的壞點現象，使用直觀檢查法和曲線檢查法進行排除。對于測量數據中存在的缺漏現象，則采用曲線插值法和造型設計法進行數據修補。無論是曲線插值法還是造型設計法，得到的數據點都需要在生成曲面后，根據曲面的光順和邊界情況反復調整，以達到最佳效果。

　　(3)模型構建

　　應用WAVE技術對空調分體機進行“自上而下”的逆向設計，首先在產品裝配的頂層，利用測量數據建立描述空調形狀的關鍵特征曲線，并利用各種建模功能，生成空調分體機的骨絡框架幾何體，包括基準、草圖、曲面、實體等，如圖2所示。然后關聯復制與各零件相關的骨絡幾何體，并向下傳遞給產品裝配的零件層。最后，在零件層，以這些鏈接的骨絡幾何體作為各零件逆向設計的開始，并加以由測量數據建立描述零件結構特征的曲線，進行詳細的結構建模。當各零件完成逆向設計后，就自動裝配在一起構成空調分體機的整個產品(見圖1)。

　　圖2 空調分體機的骨絡幾何體

　　曲線是構造曲面的基礎，而實體模型則基于曲面。空調分體機的外形和結構沒有復雜的曲面，因此，利用掃描點數據逼近為參數化曲線如草圖特征曲線，如圖3所示，既可滿足精度要求，又可便于在設計中進行驗證修改。在整機外形的構建時，先利用NX建模中的曲面造型功能，如掃描面、網格面等，以及通過延伸、過渡等曲面編輯功能，得到空調分體機的曲面片體，再用曲面片體對輪廓毛坯體進行修剪和布爾運算，就可得到空調分體機的實體模型。在各零件結構的逆向設計中，先以鏈接的零件實體進行殼體處理，然后利用NX建模中的拉伸、偏置、修剪和布爾運算等功能，構建各零件的細節結構，針對零件結構中的相似性特點如筋槽、加強筋等，充分應用特征和形狀引用功能，以實現快捷建模。

　　圖3 由點逼近草圖曲線

　　(4)數據驗證

　　數據驗證是逆向設計必不可少的環節。對于空調分體機的逆向設計，除了需要檢查重構模型與實物原形的形狀精度之外，還需要重點檢查各零件間是否存在干涉、配合零件間的形狀和尺寸是否匹配、零件中的安裝定位尺寸是否滿足與金屬件或線路板之間的配合等。由于應用了WAVE技術采取“自上而下”的設計，各零件的數據相互關聯，因此，當發現存在問題時，對父級幾何體進行修改后，系統會驅動下游各部件模型的自動更新。

　　4 結束語

　　本文以應用NX/WAVE技術完成空調分體機的逆向設計為例，從實踐角度說明，隨著逆向工程技術的深入研究和應用，以及高質量、高精度的加工設備的投入使用，利用實物原型反求得到產品數字化模型并應用于模具制造，既滿足產品要求，又節約成本，使企業擺脫了過去高端模具依賴進口的局面，大大提高了模具企業的市場競爭力。