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逆向工程在模具制造中的應(yīng)用

時(shí)間: 若木1 分享
摘要:逆向工程是制造業(yè)一種常用的手段,采用逆向方法進(jìn)行模具設(shè)計(jì)與制造,是縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量,進(jìn)而建立自己的設(shè)計(jì)制造體系的重要手段。本文介紹LZ6460乘用車頂蓋模具逆向制造方法及過(guò)程,并給出一個(gè)由點(diǎn)云生成曲面的例子。

關(guān)鍵詞:逆向工程;CAD/CAM;模具;頂蓋

引言

在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和制造過(guò)程中,幾何造型技術(shù)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛,但是,由于種種原因,仍有許多產(chǎn)品并非由CAD模型描述,設(shè)計(jì)和制造者面對(duì)的是實(shí)物樣件。為了適應(yīng)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展,需要通過(guò)一定途徑,將這些實(shí)物轉(zhuǎn)化為CAD模型,使之能利用CAD、CAM、RPM及PDM等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行處理或管理。目前,這種從實(shí)物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型相關(guān)的技術(shù),已發(fā)展成為CAD/CAM中的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的范疇,稱為“逆向工程 ”(ReverseEngineering)。通過(guò)逆向工程復(fù)現(xiàn)實(shí)物的CAD模型,使那些以實(shí)物為制造基礎(chǔ)的產(chǎn)品有可能在設(shè)計(jì)與制造的過(guò)程中,充分利用 CAD、CAM、RPM及PDM等先進(jìn)制造及管理技術(shù)。同時(shí),由于逆向工程中的實(shí)施能在很短的時(shí)間內(nèi)復(fù)制實(shí)物樣件。因此,它是推行并行工程的重要基礎(chǔ)和支撐技術(shù)。

1 傳統(tǒng)汽車覆蓋件模具的設(shè)計(jì)制造方法

對(duì)于自行設(shè)計(jì)研制的車型來(lái)說(shuō),覆蓋件是雕塑師手工制作的產(chǎn)品,這樣的樣件不可避免地存在缺陷。有時(shí),也會(huì)利用覆蓋件樣件直接進(jìn)行仿形加工。而仿形則會(huì)將樣件上的缺陷全部復(fù)制到模具上,其最終產(chǎn)品也繼承了樣件的全部缺點(diǎn),造成覆蓋件外觀光順性差、準(zhǔn)確度低、協(xié)調(diào)性差。另外傳統(tǒng)的模具制造方法手工修模量大,間隙不均勻,需反復(fù)修模試模,質(zhì)量不穩(wěn)定,加工周期長(zhǎng)。如果采用數(shù)控設(shè)備加工模具,為檢驗(yàn)數(shù)控刀軌的正確性,還要進(jìn)行蠟?zāi)T嚽?。傳統(tǒng)方法致命弱點(diǎn)是生成的模具型腔不具備修改性及重新設(shè)計(jì)的能力。

2 基于CAD/CAM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造方法

采用CAD/CAM一體化技術(shù)是現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)制造的要求,可以有效地改善傳統(tǒng)方法的不足,由CAD建立的產(chǎn)品模型可以直接生成數(shù)控指令,通過(guò)DNC接口實(shí)現(xiàn)與機(jī)床間的數(shù)據(jù)通訊,使生產(chǎn)中原來(lái)用外形模擬傳遞改變?yōu)橛脭?shù)據(jù)量傳遞,使設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)直接溝通。而且可以在CAD系統(tǒng)中進(jìn)行外觀分析、產(chǎn)品裝配、檢查配合部件的干涉,對(duì)數(shù)控加工過(guò)程進(jìn)行仿真,檢查加工過(guò)程和干涉,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和修改。因此,可以大大降低手工勞動(dòng)量,縮短新產(chǎn)品研制周期,顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量。

將CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用于LZ6460乘用車頂蓋模具的制造,其制造依據(jù)是數(shù)學(xué)模型,因此得到的制件產(chǎn)品外觀光順、美觀、對(duì)稱、配合輪廓線準(zhǔn)確度高,協(xié)調(diào)性好,修改方便(改形、創(chuàng)新),制造依據(jù)保存期長(zhǎng)。

3 逆向設(shè)計(jì)方法與過(guò)程

3.1 CAD/CAM軟件選擇

目前功能較為完善的商品化CAD/CAM集成系統(tǒng)軟件較多,筆者選擇了Delcam/Copycad用來(lái)逆向設(shè)計(jì)加工,具體內(nèi)容包括:

(1)數(shù)字化點(diǎn)的輸入與處理,包括數(shù)據(jù)輸入與數(shù)字化點(diǎn)數(shù)據(jù)的變換與處理;
  (2)三角形劃分,可以根據(jù)用戶定義的允差三角化數(shù)字化模型,然后直接用來(lái)加工編程;

選擇Imageware/Surfacer來(lái)生成曲面。在曲面的重建方面,該系統(tǒng)主要方法有如下兩點(diǎn):可由掃描點(diǎn)直接產(chǎn)生曲面而不需要經(jīng)過(guò)建造曲線的過(guò)程,亦可先建周邊曲線,而后用該邊界與其內(nèi)部的掃描點(diǎn)群來(lái)產(chǎn)生曲面。首先在掃描點(diǎn)群中構(gòu)造NURBS曲線,然后根據(jù)曲線來(lái)產(chǎn)生曲面。具體內(nèi)容包括:

(1)掃描點(diǎn)的分析及處理——可接收不同來(lái)源的數(shù)據(jù),如用機(jī)器掃描,或用照像技術(shù)所得的數(shù)據(jù)等(ASC 文件);
  (2)曲面模型構(gòu)造——快速而準(zhǔn)確地掃描點(diǎn)變換成NURBS曲面模型;
  (3)曲面模型精度、品質(zhì)分析;
  (4)曲面修改——曲線和曲面可實(shí)時(shí)交互形狀修改。

3.2 逆向設(shè)計(jì)方法

3.2.1 數(shù)據(jù)測(cè)量

近年來(lái),隨著激光技術(shù)的發(fā)展,在掃描中充分運(yùn)用激光定向性好的特性,采用非接觸式測(cè)量方法,如光柵法、全息法、深度圖象三維測(cè)量法、激光三角法等,有效地克服了機(jī)械接觸式測(cè)量如三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x中探測(cè)桿的補(bǔ)償和剛性等許多系統(tǒng)誤差,使逆向工程發(fā)展到了一個(gè)新的高度。

利用高速數(shù)控銑床的掃描功能,將頂蓋表面數(shù)據(jù)化,測(cè)量中必須考慮測(cè)量探頭的補(bǔ)償。由于測(cè)量誤差的存在,得到的表現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,包括壞點(diǎn)的去除,測(cè)量盲區(qū)數(shù)據(jù)的補(bǔ)齊,數(shù)據(jù)均化和平滑等。頂蓋云圖如圖1所示。

3.2.2 幾何建模

幾何建模是逆向工程的關(guān)鍵,建模的過(guò)程也就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過(guò)程。數(shù)據(jù)處理的目的是獲得輸入數(shù)據(jù)的基本特征信息。其通用的手段主要有數(shù)據(jù)調(diào)整、復(fù)制、區(qū)域修剪、數(shù)據(jù)密度修改、數(shù)據(jù)光順、噪音去除、尖角保留等,從而得到所需的圖形。建立模型的好壞不僅取決于模型對(duì)實(shí)物形狀的擬合程度,也取決于曲面是否光順以及曲面的連接是否光滑。曲線和曲面的光順與否是應(yīng)該特別注意的問(wèn)題,一般來(lái)講,滿足曲線光順的條件是:1二階光滑,即曲率連續(xù);2曲線不存在多余的拐點(diǎn);3曲率變化比較均勻。滿足曲面光順的條件是:1構(gòu)成曲面的關(guān)鍵曲線光順;2曲面的網(wǎng)格線無(wú)多余的拐點(diǎn);3曲面高斯曲率變化均勻。

建模的手段有兩種:一是用Copycad軟件由點(diǎn)云直接生成三角曲面(STL模型),利用三角曲面模型進(jìn)行NC加工編程;二是用Surfacer軟件由點(diǎn)云生成NURBS曲面模型,進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和加工。

(1)COPYCAD處理LZ6460乘用車頂蓋掃描檔的一般步驟:

1)讀取文件(ASC 文件),調(diào)入頂蓋掃描檔,如圖1所示:
  2)編輯、刪除多余的點(diǎn)  
  3)產(chǎn)生雙向掃描線;  
  4)偏置模型,基于當(dāng)前模型偏置測(cè)頭半徑,產(chǎn)生頂蓋自己本身的模型;  
  5)產(chǎn)生三角曲面,如圖2所示。

這樣,就可以直接利用圖2的三角曲面進(jìn)行編程加工。

(2)用Surfacer生成曲面的一般步驟:

1)讀取ASC 檔,如圖3所示(點(diǎn)云為車門內(nèi)板的一角);


  2)繪出所建面的邊界,如圖4所示;
  3)用Surfacer/Fitw/CloudandCurves指令生成曲面,并延長(zhǎng)修剪,得出的結(jié)果如圖5所示;
  4)對(duì)生成的曲面分別與原始點(diǎn)云進(jìn)行分析、比較,得到曲面的誤差情況云圖如圖6、7所示;
  5)把上述兩曲面輸出成.igs或.vda格式,在專業(yè)的CAD軟件(如UG、Pro/E、SOLIDWORKS等)中進(jìn)行編輯。圖8為在Pro/E中倒圓角的情形及曲面的高斯曲率分析云圖;

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