畢業(yè)設(shè)計（論文）基于逆向工程的注塑模設(shè)計與制造

1、 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目：基于逆向工程的注塑模設(shè)計與制造姓 名 ： 學(xué) 號 ： 專 業(yè) ： 模具設(shè)計與制造 班 級 ： 08模具1班 指導(dǎo)教師： 目錄基于逆向工程的注塑模設(shè)計與制造摘要引言1 逆向工程的結(jié)構(gòu)體系1.1 數(shù)據(jù)采集12數(shù)據(jù)處理1.3 模型重建2 塑料水壺模具的數(shù)字化設(shè)計與制造21水壺原型的數(shù)據(jù)采集22 數(shù)據(jù)處理23水壺原型的重建24模具零件的生成25模具零件nc程序的生成3 結(jié)論參考文獻結(jié)束語基于逆向工程的注塑模設(shè)計與制造摘要：將逆向工程技術(shù)應(yīng)用到塑料水壺模具的設(shè)計與制造中，通過采用pix-30三坐標測量儀采集數(shù)據(jù)，利用ug軟件進行數(shù)據(jù)處理、模型重建、模具設(shè)計及自動編程，從而實現(xiàn)注塑

2、模的快速設(shè)計與制造。關(guān)鍵詞：逆向工程；ug；注塑模；快速設(shè)計；快速制造引言在塑料產(chǎn)品的開發(fā)過程中，幾何造型技術(shù)已使用得相當(dāng)廣泛。但由于種種原因，模具企業(yè)從廠商接受的技術(shù)資料往往并非cad的模型，而是由復(fù)雜的自由曲線曲面組成的實物樣件，若采用傳統(tǒng)的方法設(shè)計制造產(chǎn)品，生產(chǎn)周期長，成本高，無法應(yīng)對瞬息萬變的塑料品市場，而逆向工程(reverse engineering)為解決這一難題提供了便利。因此逆向工程作為一門新興學(xué)科越來越受到人們的關(guān)注和重視。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是以功能為基礎(chǔ)，通過方案設(shè)計、圖樣設(shè)計及產(chǎn)品制造、裝配，以獲取產(chǎn)品實物作為最終目的，而逆向工程設(shè)計是針對現(xiàn)有工件，尤其是復(fù)雜不規(guī)則的自由曲

3、面，利用3d數(shù)字化測量儀，準確、快速地測量出輪廓坐標值，并構(gòu)建曲面，經(jīng)編輯、修改后，轉(zhuǎn)至一般的cadcam系統(tǒng)，將原有的實物或影像轉(zhuǎn)化為計算機上的三維數(shù)字化模型，再由cam產(chǎn)生刀具的nc加工路徑并傳送至cnc機床，制作所需模具，或者生成stl文件，用快速原型技術(shù)( rp) 將樣品模型制作出來。根據(jù)樣品的三維數(shù)字化模型，可以反復(fù)修改模具型面，并自動生成nc加工程序，從而大大提高模具生產(chǎn)效率，降低模具制造成本。逆向工程技術(shù)在我國，特別是在注塑行業(yè)有著十分廣闊的應(yīng)用前景。1 逆向工程的結(jié)構(gòu)體系目前逆向工程的工作流程如圖1所示，主要由三部分組成：產(chǎn)品實物外形的數(shù)字化、cad模型重建、產(chǎn)品或模具制造。逆

4、向工程的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型的重建。圖1 逆向工程的流程圖1.1 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集是逆向工程的第一步，其方法正確與否直接影響實物的二維、三維幾何數(shù)據(jù)，影響到重建的cad實體模型的質(zhì)量，并最終影響產(chǎn)品的質(zhì)量。逆向工程中的測量方法大體分為接觸式與非接觸式兩類。目前，實現(xiàn)逆向工程的主要測量設(shè)備是坐標測量機和激光掃描儀。從測量方式來看，前者屬于接觸式測量，后者屬于非接觸式測量。一般來說，測量中進行數(shù)據(jù)采集的常用方法有以下幾種。隨機采集法:使用坐標測量機對表面進行隨機采集。通過響應(yīng)表面構(gòu)造來確定響應(yīng)和多個收斂變量之間的關(guān)系。網(wǎng)格采集法:通過事先確定好的網(wǎng)格圖，沿著網(wǎng)格路徑測量表面網(wǎng)格接點值

5、。這種方法非常適合于bezier和b樣條這樣一些擬合曲面。hamersley點法: woo提出了一種使用hamersley點來控制測量平均表面粗糙度的方法，用根均平方差比較測量結(jié)果，所需要的測量點與均勻分布的測量點相比，在數(shù)量上成平方減少的關(guān)系。故障函數(shù)法: moloch提出的方法是利用一個故障函數(shù)來確定二維和三維測量位置。誤差函數(shù)應(yīng)預(yù)測所需要的測量點，這樣就能夠減少需要精確重構(gòu)表面的點數(shù)。其缺點是故障函數(shù)難以確定，通常用表面曲率來作為故障函數(shù)。隨著計算機和cad技術(shù)的迅速發(fā)展，以測量技術(shù)為基礎(chǔ)、曲面重構(gòu)技術(shù)為支撐的逆向工程在汽車工業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。逆向工程又稱反求工程，主要包含

6、2項內(nèi)容：一是實物模型的數(shù)據(jù)采集；二是數(shù)字模型的建立。數(shù)據(jù)采集是逆向工程的首要環(huán)節(jié)，是反求建模的理論依據(jù)。采集數(shù)據(jù)的精度和速度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和開發(fā)效率等。準確、快速、完備地獲得產(chǎn)品的三維幾何數(shù)據(jù)，是逆向工程的一項關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)據(jù)采集技術(shù)隨著逆向工程的廣泛應(yīng)用不斷發(fā)展，從最初的接觸式測量，發(fā)展到光學(xué)、磁學(xué)等非接觸式測量，直到新近開發(fā)的組合測量等。如今用于數(shù)據(jù)采集的測量機種類繁多、測量精度、測量速度各不相同。因此，對于不同類型的實體及數(shù)據(jù)采集的不同階段選用測量機都應(yīng)做到有的放矢，合理利用資源，以利用最低成本實現(xiàn)最優(yōu)目標點采集。12數(shù)據(jù)處理對于獲取的一系列點云數(shù)據(jù)在進行cad模型重建前，必須進行格

7、式的轉(zhuǎn)換、噪聲濾除、平滑、對探測頭半徑補償?shù)忍幚?。逆向工程?shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是利用平滑濾波函數(shù)來減少數(shù)據(jù)量，剔除疵點，減少噪聲，起平滑作用。對數(shù)據(jù)濾波，已有幾種方法:程序判斷濾波、n點平均濾波以及采用預(yù)測遞推識辯與卡爾曼濾波相結(jié)合的自適應(yīng)濾波算法等。這些方法在濾除干擾信號和隨機誤差方面取得了較好的進展。最終實現(xiàn)用某種特定的數(shù)學(xué)形式唯一地表達出這個三維曲面，以便用豐富的cad/cam工程軟件進行產(chǎn)品的設(shè)計工作。1.3 模型重建將處理過的測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入cad系統(tǒng)，依據(jù)前面創(chuàng)建的曲線、曲面構(gòu)建實物的三維數(shù)字化原型。逆向工程中的模型重建是以離散點云為基礎(chǔ)，應(yīng)用相關(guān)軟件獲取實物的三維cad模型。為了適應(yīng)逆向工

8、程技術(shù)的發(fā)展需求，專用的逆向工程軟件相繼面市，具有代表性的有sdrc公司的image waresurface、perform公司的perform、delcam公司的copycad等。一些cad/cam軟件也集成了逆向工程模塊，如pro/engineer的scan-tools模塊、ug的點云處理和曲線、曲面擬合功能等。雖然專用逆向工程軟件取得了較大的發(fā)展，但在實際應(yīng)用中還存在一定的局限。例如surface軟件在處理點云數(shù)據(jù)、線面擬合方面有其特色，但是提供的曲面造型手段及輔助功能和功能完備的商用cad/cam軟件相比還有不小差距。而對于傳統(tǒng)的cad/cam軟件來說處理龐大的點云數(shù)據(jù)也是非常困難的。

9、因此，選用surface和catia相結(jié)合的方式，充分利用軟件的優(yōu)勢，創(chuàng)建實物的cad模型。2 塑料水壺模具的數(shù)字化設(shè)計與制造21水壺原型的數(shù)據(jù)采集使用pix-30三坐標測量儀掃描測量，得到點云數(shù)據(jù)。首先將水壺固定在掃描平臺上，調(diào)整掃描探頭的掃描區(qū)域，使掃描區(qū)域正好包含水壺的最大尺寸。然后進行自動測量，測量中點與點間距及掃描線與掃描線間距均可自由設(shè)定。測量數(shù)據(jù)以stl格式保存，便于以后用ug軟件打開。圖2為水壺樣品的三維掃描點云數(shù)據(jù)下面是引用佳工機電網(wǎng)的水壺樣品的三維掃描點云數(shù)據(jù)圖：22 數(shù)據(jù)處理由于三坐標測量儀的測量放法，誤差處理方式及周圍環(huán)境等因素的影響，使采集到的點云數(shù)據(jù)不可避免地受到噪

10、音的污染，同時在凹陷區(qū)肯定會產(chǎn)生測量盲區(qū)，所以，在反求模型之前必須對數(shù)據(jù)進行編輯。刪除不需要的點數(shù)據(jù)，過濾噪聲，減少點數(shù)據(jù)數(shù)目，在曲面的變化緩慢的地方取點密度較稀疏，在曲率變化較大部分要密集取點。對于采點盲區(qū)，可以采用填充命令進行修補。首先對原始點云進行去噪平滑處理，這樣修補后的模型整體光順性可得到進一步提高。23水壺原型的重建在ug系統(tǒng)中，曲面是一種泛稱，片體和實體的自由表面都可稱為曲面。ug曲面的數(shù)學(xué)性質(zhì)為b曲面，也就是nurbs( 非均勻有理b樣條) 曲面。b曲面由若干曲面片( 補片) 構(gòu)成，其參數(shù)曲線是多段樣條；單補片曲面是貝塞爾曲面，其參數(shù)曲線是單段樣條，貝塞爾曲面是b曲面的特例。u

11、g系統(tǒng)具有強大的曲面建模功能，在設(shè)計時，由點云數(shù)據(jù)先構(gòu)造曲線，再由曲線構(gòu)造曲面。創(chuàng)建自由曲線，主要使用splint(樣條曲線)命令。在ug中運行insert curve splint菜單命令，出現(xiàn)splint對話框?？稍趯υ捒蛑羞x擇by poles、through points、fit及perpendicular to planes四種方式創(chuàng)建曲線。并可在后續(xù)步驟中進行控制曲線階次與段數(shù)、曲線的分析顯示、指定斜率和指定曲率等操作。一般地，為了提高最后的曲面質(zhì)量，曲線的形狀要達到以下要求：沒有尖點、曲率變化均勻平滑、曲線上的控制點數(shù)量盡可能少。同時要保證曲線的整體特性，如凹凸性和光順性等。利用預(yù)

12、先構(gòu)造的曲線作為輸入數(shù)據(jù)創(chuàng)建曲面是構(gòu)造曲面的主要放法。主要命令為：insertfree from feature子菜單下的通過曲線創(chuàng)建片體( through curves)、通過曲線網(wǎng)格創(chuàng)建片體( through curve mesh) 、通過曲線掃描創(chuàng)建片體(sweep) 等。圖3顯示了水壺的線框模型下面是引用佳工機電網(wǎng)的水壺的線框模型：建立片體不是ug建模的目的，最終的目的是要建立實體模型。ug中可通過縫合、補片體、修剪實體、加厚片體等方法生成實體。圖4是最后完成的水壺原型。下面是引用佳工機電網(wǎng)的水壺原型：24模具零件的生成模具設(shè)計的流程通常為：( 1)制品設(shè)計( 直接創(chuàng)建三維模型或?qū)氲?/p>

13、三維模型) 。 ( 2) 觀察分析實體模型的出模斜度和分型情況。(3)設(shè)計模具的分型面、模腔布局、內(nèi)嵌件、推桿、澆口、冷卻和電極。(4)初始化項目名稱、加載實體模型和單位。(5) 確定拔模方向、收縮率和成型鑲件。(6)修補開放面。 (7)定義分型面。 (8)加入標準模架、推桿、滑塊、內(nèi)抽芯和內(nèi)嵌件。(9)設(shè)計澆口、流道、冷卻、電極、建腔和列材料清單。 (10)利用ug的cam模塊生成型芯、型腔的nc加工程序。利用ug中的注塑模具設(shè)計(mold wizard) 模塊，調(diào)入獲得的水壺原型，通過設(shè)定z軸的正方向為頂出方向，設(shè)置模具坐標系，取塑件的收縮率為1005，再通過設(shè)置成型鑲件、布局、修補、建立

14、分型線、建立分型面，從而可以快速設(shè)計出注塑模的關(guān)鍵件凸模如圖5所示和凹模如圖6所示下面是引用佳工機電網(wǎng)的水壺凸模和凹模：25模具零件nc程序的生成將獲得的模具零件直接導(dǎo)入ug的cam模塊，根據(jù)曲面選擇不同的刀具和加工方式，設(shè)置合理的工藝參數(shù)、切削用量、主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)。模擬仿真確認無誤后，選擇加工中心的后處理器，系統(tǒng)自動生成銑削定位nci 和nc文件，通過網(wǎng)線與機床通訊并實施加工。nc加工程序的生成也非常方便，加工方式由使用者定義，可采用掃描方式相同或不同的方式進行加工。也就是說刀具路線不取決于掃描路線，刀具尺寸不取決于掃描探頭尺寸，加工間距不取決于掃描間距，加工速度不取決于掃描速度，加工精度不

15、取決于掃描精度，可實現(xiàn)粗加工編程，也可實現(xiàn)精加工編程。最后通過后處理生成不同數(shù)控系統(tǒng)的nc代碼，輸入數(shù)控機床進行零件加工。3 結(jié)論將逆向工程技術(shù)應(yīng)用到注塑模的設(shè)計與制造中，借助于三坐標測量儀和ug軟件，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品建模、模具設(shè)計、nc程序生成以及加工?？梢源蟠罂s短模具的設(shè)計與制造周期，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度，提高產(chǎn)品設(shè)計與制造的精度，增強企業(yè)的競爭能力。特別是在零件形狀復(fù)雜的模具設(shè)計與制造中，其優(yōu)勢更加明顯。因此，逆向工程的應(yīng)用，將有助于提高整個模具的技術(shù)含量，提升模具企業(yè)的競爭力。逆向工程技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的模具設(shè)計，不但縮短了模具的設(shè)計制造周期，而且大大地降低了模具的生產(chǎn)成本，保證了模具的加工質(zhì)量，提高了數(shù)控設(shè)備利用率，實現(xiàn)了模具的快速制造。 參考文獻1.毛炳祥,陳一如,李萍,張世英,齊全躍;反求工程中的若干問題j;兵工學(xué)報;1997年04期2.魏鐵華;現(xiàn)象相似、相似定理與相似指標求取j;成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化;1997年04期你3.王宇華