從逆向工程視角談模具設計流程

1引言

傳統(tǒng)的設計過程是通過對客戶的需求進行分析后,構建出產(chǎn)品的CAD模型,再經(jīng)過模具的設計、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換為工程設計模型,并在原有基礎上對實物進行優(yōu)化和再設計的過程。

目前,中國汽車工業(yè)模具生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)技術及模具軟件應用水平上同發(fā)達國家相比仍存在較大的差距,尤其是在設計水平、加工精度及成品檢測等方面。因此中國企業(yè)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用,尤其是在汽車內飾件產(chǎn)品及覆蓋件模具設計方面。這類產(chǎn)品形狀較為復雜,多為空間曲面;成品的壁厚較薄,受力易產(chǎn)生變形;產(chǎn)品的表面質量要求高等?；谝陨咸攸c,傳統(tǒng)的模具設計方法在開發(fā)這類產(chǎn)品時十分困難。采用逆向工程技術可以有效解決這些問題,同時省時省力,設計出的產(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計流程

圖1為實物模具設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、CAE分析及模具設計。

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用范圍,具體選用何種測量方法應根據(jù)被測物體的形體特征和應用目的來決定。

接觸式測量中,應用最為廣泛的測量設備是機械式三坐標測量機,機械式三坐標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)應用中最成熟的三維形狀測量設備是激光掃描三坐標測量機,激光掃描三坐標測量機則適用于一些復雜曲面的數(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坐標測量機。

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)嚴重影響曲面的重構,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系下的多視圖數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個坐標系中。

曲面及CAD模型的重構

曲面重構方面的研究在逆向工程以及相關領域內是相當活躍的,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,因此也被普遍應用于曲面擬合中。根據(jù)“點云”的空間拓撲形式將參數(shù)曲面重構方法分為兩種形式:矩形域曲面重構和三角域曲面重構。

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,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,需清楚構成實物模型的各分割曲面的品質要求及表面類型,正確理解實物模型作者的原設計意圖,最終決定建模軟件及模塊的選用。

3逆向工程應用實例

本文通過運用ATOS設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)模具設計中的應用。

“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光學測量系統(tǒng),測量前系統(tǒng)首先要進行調零處理,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網(wǎng)格鋪面及網(wǎng)格面修補。通過調節(jié)“Neighborhood”參數(shù)來確定網(wǎng)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,CATIA就會建立一個以此3點為頂點的三角網(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”命令進行修補。這樣點云就鋪設成了“網(wǎng)格面”,是由成千上萬個大小不等的三角面構成的。鋪面完成后,進入QSR模塊工作臺,將邊界交線轉化為特征曲線。

曲面及CAD模型的重構

曲面重構是逆向工程的關鍵控制因素,曲面重建的質量將直接影響到后續(xù)的模具設計。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模型如圖3所示。

分析及模具設計

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分析的結果為模具設計和制造提供可靠、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結語

逆向工程技術是用實物測量進行快速反求建模,再結合CAD/CAM、快速成型技術實現(xiàn)實物樣件的快速建模與制造,在與模具相關的制造業(yè)中有重大應用價值。將逆向工程技術應用于汽車工業(yè)模具設計,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)了模具快速制造。但與CAD/CAM技