王艳萍,胡金星(辽宁信诚产品技术开发有限公司,辽宁沈阳110035)
0 D2 |% ?& b2 C, h% Q摘要:利用激光扫描仪及相关CAD三维软件,并用最终产品做辅助,对陈旧的潜水面罩模具进行三维模型的设计,介绍了逆向工程在模具翻新中的应用方法。1 [9 _1 z8 c$ p* \5 q& x
关键词: 逆向工程; 模具; 翻新- Z% I/ A p9 [% K
# Y, C6 b' x! V" Z ~6 e8 y1 引言
|' O# s5 W# l& R" c7 V3 l9 ]* Q 随着计算机技术、CAD/CAM技术及高精度测量机的不断发展,逆向工程(Reverse Engineering)技术在生产实践中得到了越来越广泛的应用。
2 d, n2 X# a* u0 H, \ 逆向工程主要包括两方面内容:数字化技术和曲面重建技术。数字化技术是利用测量装置采集实物或模型的表面数据;曲面重建是根据测量所得到的几何形体特征的一系列离散数据,在计算机上构造出形体曲线、曲面,建立三维模型。
$ }) j8 ^; Y. J5 V- X! D 在加工制造行业中,模具的磨损是经常遇到的问题,解决的方法一是修修补补,二是对磨损严重的模具进行重新制造。我们要翻新的是30多年前制造的潜水面罩模具。它被修补多次,且磨损严重,已经不能在生产中继续使用。由于该模具加工年代久,再加上当时以手工制造为主的生产条件的限制,保留下的技术文档只是几个主要曲面的剖面线型图。继续使用原方法进行加工,耗时费工,要达到原来的精度有一定的难度。应用现代的加工技术可以很方便地完成模具的制造,但必须首先测量该模具,建立产品的三维模型。4 o) y. Y) u# i
2 模具型面原始数据的获取2 \$ P7 f7 n: e) l
2.1 测量方案的确定
& n V; {+ V* D/ j( R7 _4 C2 S 该模具由4部分组成(如图1所示),看似简单,实际曲面较复杂。面罩两鬓及面部厚度为4mm,鼻部厚度为1.5 mm,密封边和粘贴边厚度为1mm,其余部分厚度为3士0.2mm,要求各部位厚度均匀过渡,并且模具加工出的最终产品在-588--1 176Pa水压测试,1 961Pa气压测试。
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9 u- G6 p; B8 O5 l0 |9 Q- X, y& {: J3 Y 为保证获取所有区域的数据以及测量精度,使用CHITAI LSH600激光扫描仪对该模具进行3次扫描测量:面罩主体型芯、面罩主体型腔和面罩与脸部相贴的密封边型芯。
V2 q9 x, |2 k8 @2.2 样件的前期处理4 r3 u) m8 j9 L& t9 R2 y
作为光学测量方法,物体表面的光学特性对测量结果影响较大。因为原件表面为黑色,漫反射特性不好,不能确保所测量数据点的清晰度,对模具型腔、型芯表面进行了喷白漆处理。
( @2 A1 X5 e9 e8 g2.3 保证坐标系在多次扫描下的统一2 R# }6 D) j5 }
模具翻新要解决的关键问题是坐标系的一致性。对于同一厚度的产品,只要扫描型芯或型腔即可,厚度在计算机三维软件中可采用偏距产生。而对于厚度不同的产品,需要分别对型腔、型芯进行多次扫描。这样做不能保证扫描点数据是在同一坐标系下,在曲面重建时需将这些数据转换到同一坐标系中,造成后期的数据处理及模具工艺编制的困难。为了能在同一坐标系中测量模具的几何数据,决定借助最终产品(材料为丁晴橡胶的潜水面罩)对这副潜水面罩模具进行3次扫描。采用了如下的方法:
" ^4 ~ v2 {( d$ k( v4 y (1)把面罩主体型芯固定在激光扫描仪的基座上,并作为3次测量的基准,进行测量,获得的型芯的点数据,如图2所示。
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5 N# U+ N* G# C- \7 Z (2)把潜水面罩套在型芯上,进行扫描,这样就得到了潜水面罩型腔的点数据。' q* e$ Y6 c7 [+ P" c
(3)取下潜水面罩和面罩主体型芯,对基座上与脸部相贴的密封边进行扫描。得到的与脸部相贴密封边的点数据,保证与面罩主体型芯在同一坐标系中,如图3所示。与脸部相贴密封边型腔含在面罩主体型芯下,因为密封边的厚度为1mm,型腔型面可以在后期曲面重建采用偏距产生。
9 Q4 S F3 ]) R W, E 3 用Surface软件对点数据进行处理
: t' L$ D# s+ r3 @ 扫描获得的点数据以ISO格式调入Surfac。软件中,做进一步处理。
- \' C0 w. j0 v0 V; E, T 3.1 数据点的筛选
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以面罩主体型芯的点数据为例,在大量的点云数据中含有许多杂点。首先用Ponit\Extract Point\Circle\Select Points命令把它滤掉。再利用模具的左右对称,对点数据优化,删除一些不必要的数据点,如图4所示。
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3.2 特征线的提取
* V7 y/ d6 |0 k- \5 @) f 特征线的提取是整个面片构建关键。根据曲面的复杂程度,把数据点分为二次曲面、过渡曲面和自由曲面,先易后难提取特征线。2 q6 M3 Q+ |4 ]5 `! [# c7 p
对于二次曲面的区域,如:平面、圆柱面、球面等,直接做出特征线。平面可以以三点或两相交直线来确定。圆柱面以截面线和矢量来确定。. r& N/ ~* ~. b$ z
对于自由曲曲特址线的选取是便用Point\ CrossSections\ Project Curve on Cloud命令,通过曲线向点云投影,然后使用Curve\Create 3D w/clouds\Fit FreeFrom命令在截面点云上拟合成曲线。
5 F1 ^% |6 B' V p% [1 F9 v 当主要曲面特征线建完后,选取倒圆角和桥接命令,构建过渡曲面的特征线。
) d$ Y; v/ h4 R ^6 H7 _3.3 特征线分析' z" L, N& l4 \* V$ @+ a$ k! l
在任何一条特征线的构建过程中,随时用Curve\Diagnostics\Cvrve-cloud Differenc。命令检验点、线的公差,调整特征线在公差允许范围内,确保与原型的一致性,如图5所示。4 ~0 P- D* M7 @% w, V2 L- }
9 [ ~ y2 v# L- K% U j 3次扫描的点数据,都按以上的取线原则处理。图6是完成提取后的型芯特征线。
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4 曲面模型的构建
! q& k W! J7 L# h 最终曲面的构建是在UG软件中完成的。* z8 L7 z8 B$ X' `3 l
以IGES的格式把在Surfac。中建好的特征曲线导入UG中,对曲线进行曲率分析,选取编辑\曲线\全部命令,对曲线光顺处理。如图7为曲线光顺前后的对比。由于该型面为左右对称,所以光顺完一侧曲线后,另一侧采用镜象的办法来获得。为保证曲率连续,桥接左右两侧曲线,并且保持曲率连续,这样就完成了曲线的重构。- a+ J3 k% n) g& z# W
; T. y5 L, T6 T 接下来用光顺后的曲线构造曲面。首先构建二次曲面和自由曲面,自由曲面应尽量由四边曲面构成,这样便于以后操作,曲面也不容易发生扭曲。曲面和曲面之间应保持G2连续,如图8所示。) }( o" [3 |. s& o5 q1 j' b( ~
7 q7 G) b7 e+ T3 y6 L5 B& L: |5 Z 所有曲面建完后,再进行修剪、合并等操作。重构完大部分曲面后,再分别构建出嘴、鼻子、眼睛等处曲面。最后是经过裁剪后构建过渡曲面。过渡曲面大多由桥接和倒圆角曲面构成。图9所示为嘴部过渡曲面。
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在面罩主体型芯构建中,由于眼镜框部位曲面特殊(因为后期需要镶镜片),凹陷的表面存在测量盲区,测量的点数据不全。使用原图纸提供的二维图做出该截面,以眼镜框的轮廓特征线为辅助线,使二维截面垂直辅助线扫描,完成眼镜框部位的曲面造型。5 Y+ h8 I7 P1 Z: {9 D
最后完成的3副模具型面如图10所示。
0 C( W2 q x- W6 c 模具加工单位根据设计经验,使用该型面的三维数据,直接在计算机上构造出模具分型面和工艺补正面,利用数控加工等先进的加工手段,完成该模具的制造。% ]; n3 a: Q, b$ n
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逆向工程应用面非常广,通过潜水面罩模具的翻新在这方面做了一次新的尝试。在很短的时间内,完成该模具复杂型面的测量与设计,为后期的加工提供了技术保证。 |