基于逆向工程的注塑模設(shè)計(jì)與制造

1、基于逆向工程的注塑模設(shè)計(jì)與制造摘要：將逆向工程技術(shù)應(yīng)用到塑料水壺模具的設(shè)計(jì)與制造中，通過采用PIX-30三坐標(biāo)測量儀采集數(shù)據(jù)，利用UG軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、模型重建、模具設(shè)計(jì)及自動(dòng)編程，從而實(shí)現(xiàn)注塑模的快速設(shè)計(jì)與制造。 關(guān)鍵詞：逆向工程；UG；注塑模；快速設(shè)計(jì)；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(shù)已使用得相當(dāng)廣泛。但由于種種原因，模具企業(yè)從廠商接受的技術(shù)資料往往并非CAD的模型，而是由復(fù)雜的自由曲線曲面組成的實(shí)物樣件，若采用傳統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品，生產(chǎn)周期長，成本高，無法應(yīng)對(duì)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(xué)科越來越受到人們的關(guān)注和重視。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是以功能為基礎(chǔ)，通過方案設(shè)計(jì)、圖樣設(shè)計(jì)及產(chǎn)品制造、裝配，以獲取產(chǎn)品實(shí)物作為最終目的，而逆向工程設(shè)計(jì)是針對(duì)現(xiàn)有工件，尤其是復(fù)雜不規(guī)則的自由曲面，利用3D數(shù)字化測量儀，準(zhǔn)確、快速地測量出輪廓坐標(biāo)值，并構(gòu)建曲面，經(jīng)編輯、修改后，轉(zhuǎn)至一般的CADCAM系統(tǒng)，將原有的實(shí)物或影像轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)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(jī)床，制作所需模具，或者生成STL文件，用快速原型技術(shù)( 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(fù)修改模具型面，并自動(dòng)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(shù)在我國，特別是在注塑行業(yè)有著十分廣闊的應(yīng)用前景。 1 逆向工程的結(jié)構(gòu)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(shí)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(guān)鍵技術(shù)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(shí)物的二維、三維幾何數(shù)據(jù)，影響到重建的CAD實(shí)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(duì)于獲取的一系列點(diǎn)云數(shù)據(jù)在進(jìn)行CAD模型重建前，必須進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)換、噪聲濾除、平滑、對(duì)探測頭半徑補(bǔ)償?shù)忍幚怼?1.3 模型重建 將處理過的測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD系統(tǒng)，依據(jù)前面創(chuàng)建的

4、曲線、曲面構(gòu)建實(shí)物的三維數(shù)字化原型。 2 塑料水壺模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造 21水壺原型的數(shù)據(jù)采集 使用PIX-30三坐標(biāo)測量儀掃描測量，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)。首先將水壺固定在掃描平臺(tái)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(jìn)行自動(dòng)測量，測量中點(diǎn)與點(diǎn)間距及掃描線與掃描線間距均可自由設(shè)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(diǎn)云數(shù)據(jù)。 22 數(shù)據(jù)處理 由于三坐標(biāo)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(diǎn)云數(shù)據(jù)不可避免地受到噪音的污染，同時(shí)在凹陷區(qū)肯定會(huì)產(chǎn)生測量盲區(qū)，所以，在反求模型之前必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯。刪除不需要的點(diǎn)

5、數(shù)據(jù)，過濾噪聲，減少點(diǎn)數(shù)據(jù)數(shù)目，在曲面的變化緩慢的地方取點(diǎn)密度較稀疏，在曲率變化較大部分要密集取點(diǎn)。對(duì)于采點(diǎn)盲區(qū)，可以采用填充命令進(jìn)行修補(bǔ)。首先對(duì)原始點(diǎn)云進(jìn)行去噪平滑處理，這樣修補(bǔ)后的模型整體光順性可得到進(jìn)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(shí)體的自由表面都可稱為曲面。UG曲面的數(shù)學(xué)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(bǔ)片) 構(gòu)成，其參數(shù)曲線是多段樣條；單補(bǔ)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(qiáng)大的曲面建模功能，在設(shè)計(jì)時(shí)，由點(diǎn)云數(shù)據(jù)先構(gòu)造曲線，再由曲線構(gòu)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(yùn)行Insert Curve Spline菜單命令，出現(xiàn)Spline對(duì)話框?？稍趯?duì)話框中選擇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(jìn)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(dá)到以下要求：沒有尖點(diǎn)、曲率變化均勻平滑、曲線上的控制點(diǎn)數(shù)量盡可能少。同時(shí)要保證曲線的整體特性，如凹凸性和光順性等。利用預(yù)先構(gòu)造的曲線作為輸入數(shù)據(jù)創(chuàng)建曲面是構(gòu)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(shí)體模型。UG中可通過縫合、補(bǔ)片體、修剪實(shí)體、加厚片體等方法生成實(shí)體。圖4是最后完成的水壺原型。 24模具零件的生成 模具設(shè)計(jì)的流程通常為： ( 1)制品設(shè)計(jì)( 直接創(chuàng)建三維模型或?qū)氲娜S模型) 。 ( 2) 觀察分析實(shí)體模型的出模斜度和分型情況。 (3)設(shè)計(jì)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(xiàng)目

8、名稱、加載實(shí)體模型和單位。 (5) 確定拔模方向、收縮率和成型鑲件。 (6)修補(bǔ)開放面。 (7)定義分型面。 (8)加入標(biāo)準(zhǔn)模架、推桿、滑塊、內(nèi)抽芯和內(nèi)嵌件。 (9)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)(Mold Wizard) 模塊，調(diào)入獲得的水壺原型，通過設(shè)定Z軸的正方向?yàn)轫敵龇较?，設(shè)置模具坐標(biāo)系，取塑件的收縮率為1005，再通過設(shè)置成型鑲件、布局、修補(bǔ)、建立分型線、建立分型面，從而可以快速設(shè)計(jì)出注塑模的關(guān)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(dǎo)入U(xiǎn)G的CAM模塊，根據(jù)曲面選擇不同的刀具和加工方式，設(shè)置合理的工藝參數(shù)、切削用量、主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)。模擬仿真確認(rèn)無誤后，選擇加工中心的后處理器，系統(tǒng)自動(dòng)生成銑削定位NCI 和NC文件，通過網(wǎng)線與機(jī)床通訊并實(shí)施加工。 3 結(jié)論 將逆向工程技術(shù)應(yīng)用到注塑模的設(shè)計(jì)與制造中，借助于三坐標(biāo)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