從逆向工程視角談模具設(shè)計流程.doc

1、從逆向工程視角談模具設(shè)計流程1 引言傳統(tǒng)的設(shè)計過程是通過對客戶的需求進行分析后, 構(gòu)建出產(chǎn)品的CAD模型 , 再經(jīng)過模具的設(shè)計、 評審到 CAM加工 , 最終制造出產(chǎn)品。 逆向工程是基于精密的測量手段對產(chǎn)品實物模型進行 3D 數(shù)字化測量 , 依據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模的方法將實物模型轉(zhuǎn)換為工程設(shè)計模型 , 并在原有基礎(chǔ)上對實物進行優(yōu)化和再設(shè)計的過程。目前 , 中國汽車工業(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)達國家相比仍存在較大的差距 , 尤其是在設(shè)計水平、加工精度及成品檢測等方面。因此中國每年投入巨大。為了有效解決這個問題 , 逆向工程在汽車工業(yè)中已得到了廣泛的應(yīng)用 , 尤其是在汽車內(nèi)

2、飾件產(chǎn)品及覆蓋件模具設(shè)計方面。這類產(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 , 傳統(tǒng)的模具設(shè)計方法在開發(fā)這類產(chǎn)品時十分困難。采用逆向工程技術(shù)可以有效解決這些問題 , 同時省時省力 , 設(shè)計出的產(chǎn)品表面精度高 ,而且大大縮短了模具的開發(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)計流程圖 1 為實物模具設(shè)計的逆向工程流程圖 , 主要步驟有 : 實物模型數(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。實物數(shù)據(jù)的測量采集根據(jù)測量探頭是否和零件表面接觸 , 實物模型的數(shù)據(jù)測量一般采用機械式接觸

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

4、坐標(biāo)測量機。數(shù)據(jù)處理測量得到的“點云”數(shù)據(jù)里面包含大量的冗余無效數(shù)據(jù) , 這些數(shù)據(jù)嚴(yán)重影響曲面的重構(gòu) , 因此測量得到的數(shù)據(jù)需要進行數(shù)據(jù)處理 , 包括異常點去除 , 測量噪聲處理、數(shù)據(jù)分割以及多視圖拼合 , 精化“點云數(shù)據(jù) , 去除無效的數(shù)據(jù)點和提高曲面重構(gòu)的精度。同一曲面的掃描數(shù)據(jù)中 , 如果一個點與相鄰的點存在偏距較大的現(xiàn)象 , 那么可以認(rèn)定這個點是“異常點” , 異常點去除就是消除這些點的過程 ; 為了得到光滑的曲面模型 , 需要對測量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)平滑處理以消除測量噪聲 ; 產(chǎn)品形面通常是由很多張不同的曲面混合而成 , 需要對不同的曲面進行邊界檢測 , 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行擬合 , 最后再拼接在一起 ; 對實物模型進行測量時 , 通常不能在同一坐標(biāo)系下將所需要的所有數(shù)據(jù)測量完畢 , 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、通過拼合各曲面模型來獲取實物樣件表面的曲面模型 , 進一步獲得實物樣件的實體模型。在各分割曲面模型的擬合過程中 , 需清楚構(gòu)成實物模型的各分割曲面的品質(zhì)要求及表面類型 , 正確理解實物模型作者的原設(shè)計意圖 , 最終決定建模軟件及模塊的選用。3 逆向工程應(yīng)用實例本文通過運用ATOS設(shè)備以某型號轎車車身件為例具體說明逆向工程在汽車工業(yè)模具設(shè)計中的應(yīng)用。“點云”數(shù)據(jù)的采集數(shù)據(jù)測量采用德國GOM公司研發(fā)的 ATOS光學(xué)測量系統(tǒng) , 測量前系統(tǒng)首先要進行調(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)臺上。 在不同位置對模型進行掃描測量, 這樣將得到多張點云數(shù)據(jù)。模型是在一次定位的情況下

7、進行多次測量的 , 這樣保證了測量系統(tǒng)通過計算就可將所有的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下 , 然后將完整的點云數(shù)據(jù)加載到CATIA軟件中打開。點云采集見圖 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。 然后將濾除處理后的點云進行格鋪面及格面修補。 通過調(diào)節(jié)“ Neighborhood ”參數(shù)來確定格面的大小 , 此參數(shù)為一個圓球半徑 , 在點云中只要有 3 個點在此半徑范圍內(nèi) ,CATIA 就會建立一個以此 3 點為頂點的三角格面。 三角格面中將存在破洞 , 破洞通過“格面修補” (FillHoles) 命令進行修補。這樣點云就鋪設(shè)成了“格面”,是由成千上萬個大小不

8、等的三角面構(gòu)成的。鋪面完成后 , 進入 QSR模塊工作臺 ,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。 CATIA軟件的建面功能沒有其他的CAD軟件功能強大 , 所以通常在 CATIA 里擬合的曲面 , 還需要在其他專業(yè)的CAD軟件下進行修改。本文采用CATIA與 Pro/E 相結(jié)合的方法 , 首先將“點云”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“點云”分別進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)計獲得 CAD模型后 , 最好加工出一個快速原型件來檢驗重建的 CAD模型是否滿足實用要求。為確保后期成型的可靠性 , 應(yīng)該利用 CAE分析軟件進行模具的成型過程分析。成型 CAE分析的結(jié)果為模具設(shè)計和制造提供可靠、 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 軟件對成型過程進行分析 , 找出最佳注塑位置以及壓力變化的規(guī)律。4 結(jié)語逆向工程技術(shù)是用實物測量進行快速反求建模 , 再結(jié)合 CAD/CAM、快速成型技術(shù)實現(xiàn)實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)用價值。將逆向工程技術(shù)應(yīng)用于汽車工業(yè)模具設(shè)計 , 在縮短了模具開發(fā)周期的同時 , 大大降低了模具的研發(fā)成本 , 保證了產(chǎn)品的精度要求 , 實現(xiàn)了模具快速