從逆向工程視角談模具設(shè)計(jì)流程

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)過程是通過對(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)的過程。

目前,中國(guó)汽車工業(yè)模具生產(chǎn)企業(yè)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)企業(yè)每年投入巨大。為了有效解決這個(gè)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)飾件產(chǎn)品及覆蓋件模具設(shè)計(jì)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?；谝陨咸攸c(diǎn),傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法在開發(fā)這類產(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)械式接觸或激光掃描非接觸兩種測(cè)量方式來獲取實(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,通過拼合各曲面模型來獲取實(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

本文通過運(yùn)用ATOS設(shè)備以某型號(hào)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(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進(jìn)行多次測(cè)量的,這樣保證了測(cè)量系統(tǒng)通過計(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。點(diǎn)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(diǎn)。然后將濾除處理后的點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)格鋪面及網(wǎng)格面修補(bǔ)。通過調(diào)節(jié)“Neighborhood”參數(shù)來確定網(wǎng)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)的三角網(wǎng)格面。三角網(wǎng)格面中將存在破洞,破洞通過“網(wǎng)格面修補(bǔ)”命令進(jìn)行修補(bǔ)。這樣點(diǎn)云就鋪設(shè)成了“網(wǎng)格面”,是由成千上萬個(gè)大小不等的三角面構(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模型如圖3所示。

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

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)用于汽車工業(yè)模具設(shè)計(jì),在縮短了模具開發(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)了模具快速制造。但與CAD/CAM技