從逆向工程視角談模具設(shè)計(jì)流程.doc

1、從逆向工程視角談模具設(shè)計(jì)流程1 引言傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程是通過(guò)對(duì)客戶的需求進(jìn)行分析后, 構(gòu)建出產(chǎn)品的CAD模型 , 再經(jīng)過(guò)模具的設(shè)計(jì)、 評(píng)審到 CAM加工 , 最終制造出產(chǎn)品。 逆向工程是基于精密的測(cè)量手段對(duì)產(chǎn)品實(shí)物模型進(jìn)行 3D 數(shù)字化測(cè)量 , 依據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)三維幾何建模的方法將實(shí)物模型轉(zhuǎn)換為工程設(shè)計(jì)模型 , 并在原有基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)物進(jìn)行優(yōu)化和再設(shè)計(jì)的過(guò)程。目前 , 中國(guó)汽車(chē)工業(yè)模具生產(chǎn)在生產(chǎn)技術(shù)及模具軟件應(yīng)用水平上同發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在較大的差距 , 尤其是在設(shè)計(jì)水平、加工精度及成品檢測(cè)等方面。因此中國(guó)每年投入巨大。為了有效解決這個(gè)問(wèn)題 , 逆向工程在汽車(chē)工業(yè)中已得到了廣泛的應(yīng)用 , 尤其是在汽車(chē)內(nèi)

2、飾件產(chǎn)品及覆蓋件模具設(shè)計(jì)方面。這類(lèi)產(chǎn)品形狀較為復(fù)雜 , 多為空間曲面 ; 成品的壁厚較薄 , 受力易產(chǎn)生變形 ; 產(chǎn)品的表面質(zhì)量要求高等。基于以上特點(diǎn) , 傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法在開(kāi)發(fā)這類(lèi)產(chǎn)品時(shí)十分困難。采用逆向工程技術(shù)可以有效解決這些問(wèn)題 , 同時(shí)省時(shí)省力 , 設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品表面精度高 ,而且大大縮短了模具的開(kāi)發(fā)周期, 極大地滿足了客戶需求。2 基于逆向工程的模具設(shè)計(jì)流程圖 1 為實(shí)物模具設(shè)計(jì)的逆向工程流程圖 , 主要步驟有 : 實(shí)物模型數(shù)據(jù)采集、采集數(shù)據(jù)處理、曲面及 CAD模型重構(gòu)、 CAE分析及模具設(shè)計(jì)。實(shí)物數(shù)據(jù)的測(cè)量采集根據(jù)測(cè)量探頭是否和零件表面接觸 , 實(shí)物模型的數(shù)據(jù)測(cè)量一般采用機(jī)械式接觸

3、或激光掃描非接觸兩種測(cè)量方式來(lái)獲取實(shí)物表面點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)。 這兩種測(cè)量方法都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍 , 具體選用何種測(cè)量方法應(yīng)根據(jù)被測(cè)物體的形體特征和應(yīng)用目的來(lái)決定。接觸式測(cè)量中 , 應(yīng)用最為廣泛的測(cè)量設(shè)備是機(jī)械式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) , 機(jī)械式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)適用于一些簡(jiǎn)單型面的數(shù)據(jù)采集 , 得到的是有序點(diǎn)數(shù)據(jù) , “點(diǎn)云”數(shù)據(jù)重復(fù)性好 , 但測(cè)量速度慢、效率較低 ; 非接觸式測(cè)量方法中 , 目前在工業(yè)應(yīng)用中最成熟的三維形狀測(cè)量設(shè)備是激光掃描三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) , 激光掃描三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)則適用于一些復(fù)雜曲面的數(shù)據(jù)采集 , 能夠得到大量無(wú)序的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù) , 測(cè)量速度快、測(cè)量范圍廣 , 但在測(cè)量精度方面低于機(jī)械式三

4、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。數(shù)據(jù)處理測(cè)量得到的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)里面包含大量的冗余無(wú)效數(shù)據(jù) , 這些數(shù)據(jù)嚴(yán)重影響曲面的重構(gòu) , 因此測(cè)量得到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 , 包括異常點(diǎn)去除 , 測(cè)量噪聲處理、數(shù)據(jù)分割以及多視圖拼合 , 精化“點(diǎn)云數(shù)據(jù) , 去除無(wú)效的數(shù)據(jù)點(diǎn)和提高曲面重構(gòu)的精度。同一曲面的掃描數(shù)據(jù)中 , 如果一個(gè)點(diǎn)與相鄰的點(diǎn)存在偏距較大的現(xiàn)象 , 那么可以認(rèn)定這個(gè)點(diǎn)是“異常點(diǎn)” , 異常點(diǎn)去除就是消除這些點(diǎn)的過(guò)程 ; 為了得到光滑的曲面模型 , 需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑處理以消除測(cè)量噪聲 ; 產(chǎn)品形面通常是由很多張不同的曲面混合而成 , 需要對(duì)不同的曲面進(jìn)行邊界檢測(cè) , 提取出曲面特征線 , 然后根據(jù)不同

5、曲面的特征線將形面分成多張曲面分別進(jìn)行擬合 , 最后再拼接在一起 ; 對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行測(cè)量時(shí) , 通常不能在同一坐標(biāo)系下將所需要的所有數(shù)據(jù)測(cè)量完畢 , 多視圖數(shù)據(jù)拼合就是將這些在不同坐標(biāo)系下的多視圖數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系中。曲面及 CAD模型的重構(gòu)曲面重構(gòu)方面的研究在逆向工程以及相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)是相當(dāng)活躍的, 參數(shù)曲面在跨界連續(xù)性、曲面約束及局部控制方面都具有良好的表現(xiàn)形式 , 因此也被普遍應(yīng)用于曲面擬合中。 根據(jù)“點(diǎn)云”的空間拓?fù)湫问綄?shù)曲面重構(gòu)方法分為兩種形式 : 矩形域曲面重構(gòu)和三角域曲面重構(gòu)。實(shí)物模型 CAD模型的重建 , 是在逆向工程軟件中將分割后曲面的三維數(shù)據(jù)分別做各曲面模型的擬合 ,

6、通過(guò)拼合各曲面模型來(lái)獲取實(shí)物樣件表面的曲面模型 , 進(jìn)一步獲得實(shí)物樣件的實(shí)體模型。在各分割曲面模型的擬合過(guò)程中 , 需清楚構(gòu)成實(shí)物模型的各分割曲面的品質(zhì)要求及表面類(lèi)型 , 正確理解實(shí)物模型作者的原設(shè)計(jì)意圖 , 最終決定建模軟件及模塊的選用。3 逆向工程應(yīng)用實(shí)例本文通過(guò)運(yùn)用ATOS設(shè)備以某型號(hào)轎車(chē)車(chē)身件為例具體說(shuō)明逆向工程在汽車(chē)工業(yè)模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)的采集數(shù)據(jù)測(cè)量采用德國(guó)GOM公司研發(fā)的 ATOS光學(xué)測(cè)量系統(tǒng) , 測(cè)量前系統(tǒng)首先要進(jìn)行調(diào)零處理 , 并且在模型的表面涂抹反差劑, 然后再將模型固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上。 在不同位置對(duì)模型進(jìn)行掃描測(cè)量, 這樣將得到多張點(diǎn)云數(shù)據(jù)。模型是在一次定位的情況下

7、進(jìn)行多次測(cè)量的 , 這樣保證了測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算就可將所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下 , 然后將完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載到CATIA軟件中打開(kāi)。點(diǎn)云采集見(jiàn)圖 2。數(shù)據(jù)處理首先在 CATIA軟件中 , 使用刪除和濾除的功能去除多余噪點(diǎn)。 然后將濾除處理后的點(diǎn)云進(jìn)行格鋪面及格面修補(bǔ)。 通過(guò)調(diào)節(jié)“ Neighborhood ”參數(shù)來(lái)確定格面的大小 , 此參數(shù)為一個(gè)圓球半徑 , 在點(diǎn)云中只要有 3 個(gè)點(diǎn)在此半徑范圍內(nèi) ,CATIA 就會(huì)建立一個(gè)以此 3 點(diǎn)為頂點(diǎn)的三角格面。 三角格面中將存在破洞 , 破洞通過(guò)“格面修補(bǔ)” (FillHoles) 命令進(jìn)行修補(bǔ)。這樣點(diǎn)云就鋪設(shè)成了“格面”,是由成千上萬(wàn)個(gè)大小不

8、等的三角面構(gòu)成的。鋪面完成后 , 進(jìn)入 QSR模塊工作臺(tái) ,將邊界交線轉(zhuǎn)化為特征曲線。曲面及 CAD模型的重構(gòu)曲面重構(gòu)是逆向工程的關(guān)鍵控制因素, 曲面重建的質(zhì)量將直接影響到后續(xù)的模具設(shè)計(jì)。 CATIA軟件的建面功能沒(méi)有其他的CAD軟件功能強(qiáng)大 , 所以通常在 CATIA 里擬合的曲面 , 還需要在其他專業(yè)的CAD軟件下進(jìn)行修改。本文采用CATIA與 Pro/E 相結(jié)合的方法 , 首先將“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)在CATIA里擬合成曲線 , 然后將控制線數(shù)據(jù)引入到Pro/E 中, 將曲線構(gòu)建成曲面。各部分分割的“點(diǎn)云”分別進(jìn)行上述步驟的處理后 , 然后在 Pro/E 中拼合得到最終的CAD模型。產(chǎn)品的3D模型

9、如圖 3 所示。CAE 分析及模具設(shè)計(jì)獲得 CAD模型后 , 最好加工出一個(gè)快速原型件來(lái)檢驗(yàn)重建的 CAD模型是否滿足實(shí)用要求。為確保后期成型的可靠性 , 應(yīng)該利用 CAE分析軟件進(jìn)行模具的成型過(guò)程分析。成型 CAE分析的結(jié)果為模具設(shè)計(jì)和制造提供可靠、 優(yōu)化的參考數(shù)據(jù) , 其中主要包括澆注系統(tǒng)的平衡 , 澆口的數(shù)量、位置和大小 , 模腔內(nèi)溫度和壓力的變化等。本文利用 Moldflow 軟件對(duì)成型過(guò)程進(jìn)行分析 , 找出最佳注塑位置以及壓力變化的規(guī)律。4 結(jié)語(yǔ)逆向工程技術(shù)是用實(shí)物測(cè)量進(jìn)行快速反求建模 , 再結(jié)合 CAD/CAM、快速成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)物樣件的快速建模與制造 , 在與模具相關(guān)的制造業(yè)中有重大應(yīng)用價(jià)值。將逆向工程技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)模具設(shè)計(jì) , 在縮短了模具開(kāi)發(fā)周期的同時(shí) , 大大降低了模具的研發(fā)成本 , 保證了產(chǎn)品的精度要求 , 實(shí)現(xiàn)了模具快速