CATIA逆向工程技術(shù)在注塑模具設計中的應用

1、64工程塑料應用2008年, 第36卷, 第12期CATIA 逆向工程技術(shù)在注塑模具設計中的應用劉麗華 王 國(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學院機電系, 廣州 510430 (株洲時代工程塑料制品有限公司, 株洲 412001摘要 介紹了現(xiàn)代制造業(yè)中逆向工程的概念及逆向工程的一般方法和CAT I A 軟件的逆向功能模塊, 以汽車儀表盤注塑模具為例, 說明利用CAT I A 逆向工程技術(shù)設計注塑模具的具體過程, 包括點云濾除、網(wǎng)格鋪面及網(wǎng)格面修補、創(chuàng)建邊界特征曲線、重建曲面、曲面品質(zhì)分析和建立CAD 模型。關(guān)鍵詞 CAT I A 逆向工程 汽車儀表盤 模具設計在注塑模具開發(fā)制造過程中, 通常的流程是設計人員

2、依據(jù)產(chǎn)品圖紙繪制三維模型, 并根據(jù)零件材料的性質(zhì)、設備的要求進行工藝修改, 經(jīng)計算機軟件處理后生成數(shù)控加工設備的NC 文件, 這種設計模式稱為預定模式。實際生產(chǎn)中, 在只有實物樣件、沒有可參考圖紙的情況下, 由于注塑模具各面之間通常采用圓滑過渡, 部分制品的外形是由多個復雜的不同空間曲率的曲面連接而成, 用傳統(tǒng)的方法很難測量, 無法采用預定模式進行設計。如果沒有CAD 數(shù)字模型, 就無法使用CAD /CAM、多軸加工中心等先進的加工手段。所以, 設計人員需要通過一定的途徑測量實物信息并轉(zhuǎn)化為CAD 數(shù)字模型, 這就應用到了逆向工程技術(shù)。筆者以汽車儀表盤注塑模具為例, 介紹C AT I A 逆向

3、工程技術(shù)在注塑模具設計中的應用。1 逆向工程1. 1 逆向工程開發(fā)注塑模具的流程逆向工程是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量, 根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模的方法重構(gòu)實物CAD 模型的過程, 其一般流程如圖1所 示。1. 3 逆向工程軟件點云獲取后, 重構(gòu)曲面的品質(zhì)客觀上取決于所選用的逆向工程軟件的功能。逆向工程軟件主要完成點云處理、曲線處理和曲面處理3項功能, 常用的專業(yè)點云處理軟件有EDS 公司的I m age w are , Ra i n drop Geo m ag ic 公司的Stud io , De l C AM 公司的Copy CAD, PTC 公司的I CE M Surf 、

4、Pr o /Designer(CDRS 、Pro /Scantools 等。I m age w are 等專業(yè)軟件在處理點云數(shù)據(jù)時工作速度快, 可以較容易地進行線/面的擬合, 然而軟件本身所提供的曲線、曲面創(chuàng)建工具較少, 因此擬合得到的線和面還需要在UG 等通用三維C AD /CAM軟件中進一步修改。而單獨使用Pro /E、UG 等軟件讀取、處理點云數(shù)據(jù)時, 快速讀取幾十萬甚至上百萬個點的數(shù)據(jù)量是比較困難的。因此, 在具體工程設計中, 往往采用專業(yè)軟件進行點云數(shù)據(jù)處理, 得到基本控制曲線, 然后導入UG 或Pro /E等三維軟件來構(gòu)造曲面、創(chuàng)建實體。CAT I A 軟件是法國達索公司與美國I

5、B M 公司共同開發(fā)的具有工業(yè)領(lǐng)先水平的CAD /CAE /CAM軟件包。它在曲線、曲面造型方面具有獨特的優(yōu)勢, 比如其特有的高次(能達到15 Bezier 曲線曲面功能, 能滿足特殊行業(yè)對曲面光滑性的苛刻要求。CAT I A 軟件包含點云處理、實體造型、曲面造型、數(shù)控加工等模塊, 完全可以在一個軟件里對點云進行刪除、過濾、創(chuàng)建特征線、鋪面、修補、曲面品質(zhì)分析等操作, 得到高質(zhì)量曲面, 并將曲面轉(zhuǎn)換成實體, 而后生成刀路軌跡用于數(shù)控加工。2 CATI A 逆向功能模塊簡介CAT I A 逆向工程使用數(shù)字曲面編輯器(D i g i tized Shape Edito r , DSE 、創(chuàng)成式外形

6、設計(Genera圖1 逆向工程流程圖1. 2 逆向工程中的數(shù)據(jù)采集逆向工程要求按照產(chǎn)品的測量數(shù)據(jù)建立與現(xiàn)有CAD /CAM系統(tǒng)完全兼容的數(shù)字模型, 這是逆向工程的最終目標。測量數(shù)據(jù)是逆向工程的第一個步驟, 是數(shù)據(jù)處理、模型重建的基礎(chǔ)。目前最常用的點云數(shù)據(jù)的采集設備有三坐標測量機、三維激光掃描劉麗華, 等:CAT I A 逆向工程技術(shù)在注塑模具設計中的應用65ti v e Shape D esi g n , GSD 、快速曲面重建(Qu ick Sur face Reconstr uction, QSR 、自由曲面造型(Freesty leShaper , FSS 等模塊來進行逆向操作。DSE

7、 模塊可用來處理點云文件, 該模塊可以對點云進行導入導出、分析過濾、網(wǎng)格鋪面、繪制交線等操作。對于分塊掃描的大型零件, DSE 的分割拼接功能可以對點云文件依據(jù)對準球(測量點云數(shù)據(jù)時人為設置的小圓點, 作為后續(xù)工作兩部分點云對齊的基準 進行拼接, 將各塊點云數(shù)據(jù)合并為一個整體的零件點云。使用DSE 模塊的最主要目的是通過對零件點云數(shù)據(jù)的分析、處理, 從而獲得點云網(wǎng)格面特征交線, 這是正確擬合曲面的基礎(chǔ)。QSR 模塊可以將DSE 處理后得到的點云網(wǎng)格面特征交線進一步轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g曲線, 使用曲面擬合命令, 以點云為參考、以空間曲線為基礎(chǔ)擬合得到高質(zhì)量曲面。其帶有的曲線分析工具可以分析空間曲線與點云網(wǎng)

8、格面特征交線之間的誤差。GSD 和FSS 模塊是使用CATI A 進行三維曲面設計的主要工作平臺, 在平臺中可使用線架和表面特征快速建立從簡單到復雜的任意形狀曲面, 這兩個模塊有大量創(chuàng)建和編輯曲面的設計工具。在逆向設計中, 主要是應用這兩個模塊擬合和拼接曲面的功能, 形成完整的結(jié)構(gòu)外形; 同時對孔、筋、圓弧等細節(jié)部分正向重建。FSS 模塊的曲面分析功能可用于所有類型的曲線、曲面分析, 將重建的擬合曲面與點云或網(wǎng)格面進行曲面分析, 可以得到誤差分析圖, 便于驗證重建曲面的正確性。簡單外形的零件一般采用DSE 及QSR 兩個模塊即可完成曲面的構(gòu)建; 具有復雜外觀及有多孔、多筋的復雜零件, 在DSE

9、 及QSR 處理得到整體曲面結(jié)構(gòu)后, 還需要在GSD 和FSS 等模塊里進行細部結(jié)構(gòu)的重建與修飾, 最后生成的實體在FSS 模塊里進行曲面品質(zhì)分析。3 設計實例圖2 為某汽車注塑儀表盤實物。該儀表盤由需 求方提供模具生產(chǎn), 沒有圖紙或數(shù)字化模型。由于注塑材料的腐蝕, 使用一定時間后模具型腔部分尺寸發(fā)生變化, 造成制品安裝尺寸超差。但該模具最初驗收時試模的樣件還在, 因此可以采用逆向工程重建零件數(shù)字化模型。采用臺灣智泰公司生產(chǎn)的三維激光掃描機對樣件的點云數(shù)據(jù)進行采集。由于產(chǎn)品外形限制, 將樣件分段掃描, 整個點云文件分成5部分。筆者以左側(cè)面的點云處理為例進行逆向操作說明。3. 1 點云濾除在逆向

10、工程中, 用戶從測量儀器獲得的點云數(shù)據(jù)數(shù)量非常龐大, 通常數(shù)據(jù)之間沒有顯式的幾何拓撲關(guān)系, 包括大量無用數(shù)據(jù), 這會降低電腦的處理速度, 需要進行處理來減少點云數(shù)據(jù)的數(shù)量。點云處理的原則是在曲面變化平緩的部位取點的密度可稀疏, 在曲率變化較大的部位及細節(jié)部位密集取點, 如此一來需處理的點的數(shù)量就會變少。在CATI A 中, 可以使用刪除和濾除的方法去除的多余噪點。圖3為濾除處理后的點云。圖3 濾除處理后的點云3. 2 網(wǎng)格鋪面及網(wǎng)格面修補將濾除處理后的點云鋪成圖4所示的網(wǎng)格曲面。網(wǎng)格面的大小可以通過對 N eighbor hood 參數(shù)進行調(diào)節(jié), 其數(shù)值為一個圓球半徑, 在點云中只要某3個點在

11、圓球半徑范圍內(nèi), C ATI A 就會以此3點為頂點建立一個三角網(wǎng)格面。因此鋪面又稱為三角網(wǎng)格化。網(wǎng)格的大小應以網(wǎng)格面上有破洞但較少為原則, 如果參數(shù)選取過大, 則會造成網(wǎng)格面上細部結(jié)構(gòu)圖2 汽車儀表盤圖466工程塑料應用2008年, 第36卷, 第12期的丟失, 不能完整重建曲面。破洞可以應用 網(wǎng)格面修補 (F ill H o les 命令進行修補。點云鋪成了 網(wǎng)格面 , 但這種多邊形面片(Polygon 是由成千上萬個大小不等的三角面構(gòu)成, 并非通常意義上的曲面, 不能為其它模塊直接編輯。3. 3 創(chuàng)建邊界特征曲線鋪面完成后, 進入QSR 模塊工作臺, 將邊界交線轉(zhuǎn)化為特征曲線。特征曲線應

12、滿足曲線二階幾何連續(xù)和曲率變化均勻的要求, 并且在保證曲線與網(wǎng)格面擬合的前提下, 最大程度地減少控制點的數(shù)量、降低曲線的階次, 以保證構(gòu)成曲面的曲線控制點的均勻、一致、整潔, 否則將會出現(xiàn)曲面扭曲的現(xiàn)象。創(chuàng)建的邊界特征曲線如圖5 所示。度分析等。由分析結(jié)果可知, 重構(gòu)曲面與點云數(shù)據(jù)誤差在! 0. 2mm 以內(nèi), 大的誤差都分布在邊緣, 后期修飾美化后可以減小; 曲面曲率連續(xù), 曲率變化均勻, 符合產(chǎn)品要求。圖7 誤差分析3. 6 CAD 模型各部分點云分別處理后整體拼合修飾得到圖8所示的最后CAD 模型。模型經(jīng)過工藝修改, 利用CAT I A 自帶的編程模塊生成走刀加工NC 代碼文件, 加工成

13、模具后一次試模成功, 所制儀表盤零件完 全符合上游廠家的要求。圖5 創(chuàng)建的邊界特征曲線3. 4 重建曲面根據(jù)以上操作獲得的特征曲線可以使用QSR 模塊中的 曲面擬合 (Po w erfit 命令重建曲面, 見圖6; 也可以使用GSD 和FSS 模塊中構(gòu)建曲面的各種命令, 如放樣(Loft 、掃掠(Sw eep 、橋接曲面(Freesty l e B lend Surface 等來實現(xiàn)曲面的重建。圖8 最后得到的CAD 模型4 結(jié)語目前, 模具行業(yè)越來越多的業(yè)務是需要根據(jù)客戶提供的樣件制造出模具, 基于原型或?qū)嵨锏哪嫦蚬こ桃蚱淇旖莸拈_發(fā)方式, 特別是對于沒有原始幾何信息的零件, 逆向工程是完成零

14、件精確幾何造型的重要手段, 應用C AT I A 逆向工程這一先進的設計手段, 可以大大提高注塑模具設計、生產(chǎn)效率, 降低制造成本。參考文獻1 李志學, 李若松. CAT I A 實驗教程M.北京:清華大學出版圖6 重建曲面社, 2004.2 尤春風. CAT I A V5曲面造型M .北京:清華大學出版社,2003.3 林清福. CATI A V5R13逆向工程產(chǎn)品設計M.北京:中國鐵道出版社, 2007.3. 5 曲面品質(zhì)分析利用CAT I A 的自由曲面造型(FreeS tyle 模塊提供的多種分析工具可以分析重構(gòu)曲面的各種品質(zhì), 如點云數(shù)據(jù)與重構(gòu)曲面誤差分析(見圖7 、等照APPLI

15、CATION OF CATIA REVER SE ENG INEER ING TECHNOLOGYIN IN JECTION MOULD DESIGNL i u L ihua(m , , i劉麗華, 等:CAT I A 逆向工程技術(shù)在注塑模具設計中的應用W ang Guo(Zhu z hou T i m es Engi neeri ng P l asti c P roducts Co . L t d. , Zhuz hou 412001, Ch i na67AB STRACT T he concept and t he general m ethod o f reverse eng ineer

16、 i ng(RE in m odern m anufacturi ng and the RE f unc tion m odule of C AT I A a re i ntroduced . T ak i ng the injecti on m ou l d of ca r m eter tray as an ex a mp le , the design processes o f i njecti on m ould w it h CAT I A ,i ncl uding filter i ng of po int cloud , mesh creati on , m es h repa

17、 ir , scan crea tion , surface qua lity analysis , and construc tingCAD m ode l are exp l a i ned .K EY W ORDS CAT IA, reverse eng ineer i ng, m eter tray o f car , mould desi gn8種聚合物質(zhì)被列入REAC H 法規(guī) 黑名單備受聚合物制品企業(yè)關(guān)注的REACH 法規(guī)現(xiàn)已出臺, 歐盟委員會近期提名15種化學物質(zhì)獲列化學品REACH 法規(guī) 黑名單 , 其中有8種屬于聚合物生產(chǎn)常用化學品。首批REAC H 法規(guī) 黑名單 里包括過

18、去60年里在多種聚合物產(chǎn)品生產(chǎn)部門最常使用的增塑劑DE H P , DEHP 的禁用預示著工業(yè)生產(chǎn)中許多常用的物質(zhì)將瀕臨淘汰。被提名的對聚合物工業(yè)有影響的化學物質(zhì)如下:DE H P 、D BP 、BBP 用于PVC 和其它聚合樹脂生產(chǎn)的鄰苯二甲酸酯增塑劑; HBCDD 用于聚苯乙烯生產(chǎn)的阻燃劑; M DA 用于在聚氨酯生產(chǎn)中M D I 的制造; SCCPs 用于橡膠、油漆、密封劑和膠粘劑生產(chǎn)的阻燃劑; 三丁基氧化錫用于船舶防污漆生產(chǎn)的殺菌劑。首批R E A C H 黑名單 強調(diào)了聚合物生產(chǎn)商和聚合物產(chǎn)品使用者務必遵循REA C H 法規(guī)的執(zhí)行。長遠看來, 這些化學物質(zhì)的使用將在權(quán)威方案的執(zhí)行過

19、程中被逐步淘汰。特殊情況下, 如作為中間體等使用的物質(zhì)可另行申請。和REAC H 法規(guī)中其它部分不同的是, 對被禁用的化學品噸位未作規(guī)定, 而這正是很多公司尚未察覺到的。(中化網(wǎng)絲等商品的出口退稅率則由13%提高到14%。今年8月以來, 國際市場動蕩加劇, 需求急劇萎縮, 包括塑料制品在內(nèi)的我國傳統(tǒng)出口優(yōu)勢產(chǎn)品的出口量明顯減少。海關(guān)總署最新的統(tǒng)計顯示, 今年19月, 我國各類塑料制品出口額為110. 3億美元, 同比僅增長1. 6%, 與去年同期相比, 增速回落8. 4%。(塑協(xié)網(wǎng)?？松梨谕瞥鲂滦兔饘倬垡蚁┎牧厦绹牧仙a(chǎn)商?？松梨诨す就瞥隽艘环N新型茂金屬聚乙烯(mPE 材料, 這種

20、新材料可用來取代復雜的線性低密度聚乙烯材料, 可使用標準設備進行加工, 節(jié)省能源, 而且氣泡穩(wěn)定性好。此外, 它可以減輕薄膜的質(zhì)量, 減少薄膜廢料。預期應用在柔韌性薄膜領(lǐng)域, 如飲料、罐頭食品、香皂、洗滌劑、保健和美容產(chǎn)品等。它也可用于多層拉伸薄膜、農(nóng)業(yè)溫室薄膜和復合包裝薄膜等。(聚合網(wǎng)高性能碳纖維復合芯導線項目在邯鄲永年開工近日, 由河北硅谷化工公司投資的碳纖維復合芯導線項目在邯鄲市永年縣開工建設。據(jù)悉, 這是我國第一個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、大批量生產(chǎn)高端電纜產(chǎn)品的高科技項目。項目投產(chǎn)后, 將填補該行業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)空白, 結(jié)束我國一直依賴從國外進口高端電纜產(chǎn)品的歷史。長期以來, 我國遠程大容量電力輸送采用的電線電纜一般以銅線或鋁線為導線, 不僅耗能大, 而且載流量小, 由此造成的停電、斷電故障時有發(fā)生, 成為電力工業(yè)發(fā)展的一大 瓶頸 。而新型碳纖維復合芯導線具有耐高溫、大容量、低能耗、壽命長等特點, 是傳統(tǒng)導線的理想替代品。2007年, 河北硅谷化工公司投資2億元建成年產(chǎn)1200噸高性能碳纖維生產(chǎn)線, 填補了國內(nèi)空白, 為我國大批量生產(chǎn)碳纖維復合芯導線提供了核心材料。2008年10月份, 該公司又籌資3. 8億元開工建設碳纖維復合芯導線生產(chǎn)線, 建設期兩年。建成后, 可年產(chǎn)碳纖維復合芯導線1萬千米, 實現(xiàn)年銷售收入10億元,