CAD/CAM逆向工程在汽车方灯支架冲压模具的应用

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CAD/CAM逆向工程在汽车方灯支架冲压模具的应用摘要　阐述了CAD/CAM逆向工程的关键技术和过程，介绍了其在汽车方灯支架冲压模具的应用实例，从而说明了该技术是CAD/CAM重要组成部分，并可大大提高模具的设计和加工周期。
关键词　CAD/CAM　逆向工程　数字化　模具

一、前言

在现代工业，产品信息的来源主要4种：设计思维、二维工程图、实物和产品电子信息。
, C# g  E3 S' {6 M  C设计思维和二维图通过人机交互建模在CAD系统建模。对于外形复杂需兼具美学和工业要求的产品，采用CAD直接表达困难，这时制作产品的实物模型非常重要。先由实物再到产品的过程称为逆向工程(ReverseEngineering)。作为三维设计系统的一个有机补充部分，在新品开发及改型中，以实物为设计依据的逆向工程技术的应用是必不可少的。逆向工程的一个很重要的方面在于实物的获取即制造母模型。将主模型转化为模具过去常采用仿形加工(图1中流程2)，其特点是仿形和加工同时进行，周期短，其缺点是模型缩放有一定限制，每次制造模具均需对主模型进行仿形，而且阴阳模转化、镜像等也很困难，加工精度低，钳修工作量大，目前应用逐渐减少。取而代之的是CAD/CAM逆向工程，它包括数字化系统、CAD/CAM数据处理系统和NC机床(图1中流程3)。数字化技术主要是正确应用扫描工具，获取高质量的样件表面扫描点；数据处理系统是为了重构曲面；NC机床是用于加工。

& ]' T0 Z1 z4 m; y! j  o: \二、逆向工程数字化方法

+ q3 |4 P6 w' d) {产品数字化是CAD/CAM逆向工程的关键技术之一。数字化过去常用于检测产品和位置精度，用于逆向工程和用于检测的数字化过程的区别通常是检测是间断的，而逆向工程是连续采集数据。数字化设备主要有3种：三坐标测量机(CMM)、数控机床(NC)加上测量装置、专用数字化仪或扫描仪。利用CMM和NC设备不要增加新的设备但占用了昂贵的CMM和NC工作时间，专用数字化仪或扫描仪是一种快速数字化装置，目前应用逐渐增多。数字化方法主要有接触式和非接触式测量。接触式测量是测头与实物表面接触，通过规定扫描方式测量数据，这种方式非常成熟，但测量速度和精度比较低，不适于柔软实物的测量。非接触式测量主要是采用激光测量仪，激光扫描实物，摄象记录光线与实物接触部位。测量效率非常高，采集的数据就是实际的表面坐标值，但它对陡壁和透光模型数据采集困难，而且价格昂贵。现在有一种新的扫描方式就是工业CT，这种方式可获得真正的实体数据，相信不久会得到广泛的应用。
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三、逆向工程CAD/CAM数据处理系统

CAD/CAM逆向工程的另一个关键技术是对采集数据的处理和NC加工程序处理系统。作为产品开发制造中的重要部分，这部分必须与主流三维设计系统完全集成，这样逆向设计才能溶入整个产品开发流程中，不至于成为又一个“孤岛”。这个系统有两种处理方式：
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. {! u+ F  @' z1．数字化/数据处理/NC集成系统
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这个系统集成了扫描和NC程序的生成。数字化功能控制扫描方式、速度和精度，扫描方式有Zig，Zig-Zag，Profile和等高线及手动扫描等，可定义多边形和随动视窗控制扫描范围，扫描间距可根据精度来设置，当遇到陡壁及其它急剧变化的区域时可自动收窄扫描间距。扫描数据的处理能实现三维不同比例的缩放、镜像、平移、旋转、偏置及阴阳模转换等，并可将几个模型组合实现剪切、叠加等，并可生成物体表面数据。
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7 m; [% y0 M% D* P) R- xNC加工程序的生成也非常方便，加工方式由使用者定义，可采用扫描方式相同或不同的方式进行加工。也就是说刀具路线不取决于扫描路线，刀具尺寸不取决于扫描探头尺寸，加工间距不取决于扫描间距，加工速度不取决于扫描速度，加工精度不取决于扫描精度，可实现粗加工编程，也可实现精加工编程。最后通过后处理生成不同数控系统的NC代码，输入数控机床进行零件加工。
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* l0 A* T) P9 h, c' }$ r7 U0 m5 u& x这个系统的缺点精度较低，加工方法较单一，无法实现计算机辅助分析和产品资料积累，产品稍稍变化必须重新扫描和处理。但由于系统灵活、系统集成好，扫描与加工一体化，特别是不需要曲面重构，很适宜精度要求不高的中小型产品，尤其在生活品中使用日益广泛。

0 J% R: A( \' l8 X3 f( Z/ n2．曲面重建CAD/CAM系统
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产品曲面重建是根据扫描的产品空间离散点数据，应用计算机辅助几何设计的有关技术，建立产品的数字化CAD模型。其基本要求是保型性和快捷性。保型性即重构后的曲面必须保证与实际零件的数据在误差范围内吻合；快捷性是曲面重构方便、快捷。通常对于含有自由曲面的复杂型面，用一张曲面来拟合所有的数据点是不可行的，一般首先按照原形所具有的特征将零件进行分析，将测量数据点分割成不同的区域，不同的区域分为主曲面和过渡曲面。对于主曲面区域分别拟合出不同的主曲面，然后应用曲面求交或曲面间过渡的方法构建过渡曲面并与测量点比较。最终将不同的曲面连接起来构成一个体。准确的产品特征分解和分析、主曲面和过渡曲面的判断是构建一个合理有效的曲面的关键。只有根据合理的分析，借助有效的三维测量数据分割和拟合、曲面的构建理论和分析技术，才能获得合理而正确的结果。通常在曲面重构时，通常由点到线，由线到面，先建立主曲面，然后建立过渡曲面。直接由点构建曲面或希望用一个曲面来拟合曲面通常是不能成功的。我们目前主要是采用SURFACE软件来进行测量数据分割，并获得拟合的曲线。在ug中利用曲面和曲面分析来构建三维曲面。最后生成三维产品，进而得到模具。利用CAD/CAM的分析模块如冲压分析、注塑分析等分析产品成形过程，并修改模具。最后利用CAD/CAM的CAM模块确定加工方法，并模拟加工，通过后置处理，生成NC程序，控制数控机床进行加工。该方法功能强大，除能实现第一种方法所有功能外，也能完成产品设计和改型，易积累设计数据；可进行产品分析，模拟产品成形过程；而且加工方法多样并可模拟加工过程。缺点是曲面重建要求较高。

1 w8 M; A% q' L7 M4 g  I% J四、应用实例
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图2是某型号汽车方灯支架产品的一个实例，通过ATOS扫描设备获得产品的空间点(扫描的云点已经被稀释)。德国GOM公司的ATOS便携式三维扫描仪在测量时可随意绕着被测物体移动，在距被测物体约700ｍｍ处高速摄取实物表面数据。扫描系统可连续投影11种不同间距的光带于物体上，通过光带间距的变化，再经过数码影像处理器分析，在数秒内便可得到实物表面数据，实现三维扫描高速化，对于大型物体需分块扫描，为了减少扫描照片的拼接误差，利用一台XL数码像机，使若干不同位置扫描的曲面能按特征点自动拼接，形成一个完整的三维数字模型。该系统的测量(扫描)范围可达8ｍ×8ｍ，曲面拼接精度达到0．1ｍｍ/ｍ。这种扫描系统的扫描不用编程，不受场地和实物、检具等位置的限制，操作方便，重量轻、体积小，可实现异地测量。ATOS扫描仪不但可以用于尖角、凹槽、复杂轮廓及软质件的测量，而且可用于汽车、摩托车外饰件的造型和大型模具的制造。
通过SURFACE软件获得参数曲线，在UG中建立产品的三维模型(图3)。通常，最终产品只相当于一个主模型，它只作出了零件实体部分的形状，而且其位置是产品的装配位置，对于拉深成形模具的型面和方向必须根据冲模的要求进行补充和改造，比如对需要冲孔的区域进行填充；为便于冲压成形，需要补充一些必要的材料成为一个便于拉深成形的拉深件，因此在工艺上要求必须进行工艺补充；为便于拉深时能平稳的进行，并保证一定的压料力，防止产生皱摺等问题还需要进行压料面和压料筋的设计补充等；此外，零件在冲压过程中的变形大小方向也必须考虑。我们把最终经过各种补充形成的曲面零件形状叫做工艺主模型。因此，要想获得合格的冲压零件，首先必须获得产品的主模型，根据零件的冲压工艺和冲压方向，调整产品模型的空间方位；增加各种工艺补充面；补偿合理的变形，最终获得合理正确的工艺主模型型面(图4)。
当获得产品的工艺主模型型面之后，模具的上下模就容易获得了。图5和图6是由产品的工艺主模型获得的成形模具的型腔和型芯。
% ~/ D! P, u6 l& y6 ^7 o2 x  ~通常型腔和型芯的加工必须采用数控机床。要在数控机床上加工零件时，数控加工程序编制是关键。在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定加工零件的安装位置，与刀具的相对运动的尺寸参数，零件加工的工艺路线或加工顺序，工艺参数以及辅助操作等加工信息，用标准的数控代码，按规定的方法和格式编写成加工程序单，并将程序单的信息通输入到数控装置，来控制机床进行自动加工。我们采取美国UG公司的UG软件进行编程，在UG的CAM模块中人机交互的指定数控加工中刀具、加工路径规划、切削用 量等，生成模具的数控加工轨迹(图7)。由于数控 机床的加工过程中一定要避免使机床发生碰撞。并避免产生过切或错误的刀具轨迹，为此须进行刀位验证，来判断刀具轨迹是否连续、进退刀、走刀路线是否合理，加工过程的动态图形仿真验证采用实体造型技术建立零件的毛坯、夹具和刀具在加工过程中的实体模型，通过采用快速布尔运算，最后采用真实感图形显示技术，把加工过程动态的显示出来。图5为加工模具冲头的精加工的加工轨迹的动态模拟。最后通过后置处理获得数控程序代码，输入机床进行加工。

社会发展使工业品和生活用品造型变化非常频繁，许多产品外形复杂需兼具美学和工业要求，采用CAD系统确切表达很困难，制作产品实物主模型是一种难以替代的产品信息。先由实物再到产品的过程的逆向工程是CAD/CAM技术的重要组成部分，实践证明逆向工程结合CAD/CAM技术和NC机床设计制造模具可大大提高加工周期。
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