基于逆向工程的注塑模設計與制造

1、基于逆向工程的注塑模設計與制造摘要：將逆向工程技術應用到塑料水壺模具的設計與制造中，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、模具設計及自動編程，從而實現(xiàn)注塑模的快速設計與制造。 關鍵詞：逆向工程；UG；注塑模；快速設計；快速制造 引言 在塑料產(chǎn)品的開發(fā)過程中，幾何造型技術已使用得相當廣泛。但由于種種原因，模具企業(yè)從廠商接受的技術資料往往并非CAD的模型，而是由復雜的自由曲線曲面組成的實物樣件，若采用傳統(tǒng)的方法設計制造產(chǎn)品，生產(chǎn)周期長，成本高，無法應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

2、工程作為一門新興學科越來越受到人們的關注和重視。傳統(tǒng)的設計方法是以功能為基礎，通過方案設計、圖樣設計及產(chǎn)品制造、裝配，以獲取產(chǎn)品實物作為最終目的，而逆向工程設計是針對現(xiàn)有工件，尤其是復雜不規(guī)則的自由曲面，利用3D數(shù)字化測量儀，準確、快速地測量出輪廓坐標值，并構建曲面，經(jīng)編輯、修改后，轉至一般的CADCAM系統(tǒng)，將原有的實物或影像轉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( 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

3、具制造成本。逆向工程技術在我國，特別是在注塑行業(yè)有著十分廣闊的應用前景。 1 逆向工程的結構體系 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。逆向工程的關鍵技術是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型的重建。 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。 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，必須進行格式的轉換、噪聲濾除、平滑、對探測頭半徑補償?shù)忍幚怼?1.3 模型重建 將處理過的測量數(shù)據(jù)導入CAD系統(tǒng)，依據(jù)前面創(chuàng)建的

4、曲線、曲面構建實物的三維數(shù)字化原型。 2 塑料水壺模具的數(shù)字化設計與制造 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)。 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

5、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。UG系統(tǒng)具有強大的曲面建模功能，在設計時，由點云數(shù)據(jù)先構造曲線，再由曲線構造曲面。創(chuàng)建自由曲線

6、，主要使用Spline(樣條曲線)命令。在UG中運行Insert Curve Spline菜單命令，出現(xiàn)Spline對話框?？稍趯υ捒蛑羞x擇Bypoles、Through Poi nts、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。利用預先構造的曲線作為輸入數(shù)據(jù)創(chuàng)建曲面是構造曲面的主要放法。主要命令為：InsertFree F

7、rom 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。 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。 24模具零件的生成 模具設計的流程通常為： ( 1)制品設計( 直接創(chuàng)建三維模型或導入的三維模型) 。 ( 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

8、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中的注塑模具設計(Mold Wizard) 模塊，調(diào)入獲得的水壺原型，通過設定Z軸的正方向為頂出方向，設置模具坐標系，取塑件的收縮率為1005，再通過設置成型鑲件、布局、修補、建立分型線、建立分型面，從而可以快速設計出注塑模的關鍵件凸模如圖5所示和凹模如圖6所示。 25模具零件NC程序的生成 將獲得的模具零件直接導入UG的CAM模塊，根據(jù)曲面選擇不同的刀具和加工方式，設置合理的工藝參數(shù)、切削用量、主軸轉速等參數(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。 3 結論 將逆向工程技術應用到注塑模的設計與制造中，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