数字形状采样和处理技术促进模具发展

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数字形状采样和处理技术促进模具发展数字形状采样和处理技术可以用于精密模具的生产，并且可以大大缩短用于切削的电脑数控系统开发新模具的时间。

& p$ J+ a$ `6 ^) }, y/ z; d7 N在大多数人眼里，容器仅仅是用来装物品的器具而已。但是对注-吹成型公司Uniloy Milacron的客户来说，他们的Uniloy Milacron容器还是定义他们品牌的一重要部分。
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uniloy milacron是一个全球领先的提供吹塑系统和服务的供应商。早在30年前，公司通过开发新的切割机械以及为乳品包装市场进行专利空心塑料瓶设计而成为吹模成型领域的领先者。此后，经过几年的发展，公司还开发了专利技术来提高自身的技术能力和自动化程度。
最近，该公司的一项具有重要意义的创新技术就是利用数字形状采样和处理技术(DSSP)来为塑料容器开发新的模具。该项技术是由Laser Design 公司的一个分支GKS Inspection Services公司提供的。GKS公司利用其激光设计扫描仪对塑料容器的几何外型进行准确的扫描，并且Geomagic Studio软件把扫描的数据输入到精确的表面模型当中供CAD系统和机械加工使用。
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“这个新的程序有许多优点”，Uniloy Milacron公司的产品设计工程师Jim Janezek说道。“它可以使我们生产更加精确的模具，并且为用于切削加工的CNC系统节省了时间，这样我们开发新的模具的时间也就被大大缩短了”。

复制复杂的形状
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最近，一个合作项目正在Uniloy Milacron和GKS公司之间进行。具体内容是Uniloy Milacron公司为GKS公司提供一种两升塑料牛奶瓶的复制品。尽管牛奶瓶是电冰箱里最常见的容器，但一个典型的牛奶瓶在采用CAD系统操作时却是相当复杂和困难的。
( I7 l4 [# Z8 u' q  [& i, t/ g“我们使用Pro/ENGINEER软件来设计新的容器，这种新的软件的不同于以往的容器设计模式”， Janeczek说道，“但是我们同时也需要各种不同的技术来满足客户的设计需要”。
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1 Y. D8 v( P7 e% ?7 v快速捕获能力和包含有自由形态的模型现有物质是CAD系统和DSSP之间最的差别所在。
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3 P2 c% P& b$ _, q作为一个以制图为基础的技术，CAD最开始呈现出的是一个空白的屏幕，然后由操作人员输入尺寸、形状、曲线以及表面情况然后来确定这个物体的具体形态。对于设计一种新的产品来说，CAD是最适用的。但是当它用来模拟和表现现有的物体的时候，它的局限性就体现了出来，特别是那些有自由形态形状的物体，比如那些有把手的塑料牛奶瓶等。
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而DSSP在最初的情况下则呈现的是一个已有的产品和成型结构。高速扫描仪捕获物体的形态数据并且把这些点云数据输入如Geomagic Studio全自动软件中等。该软件是这个过程中最重要的部分：它从测量数据中提取物体几何形状数据及布局信息，进而创造出高质量的数字模型。这些模型都可以被CAD/CAM/CAE使用并用来进行进一步的操作，例如工程分析、模拟、机械加工等等。
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* v& Y% g4 H$ {4 g“对于用数字复制一个模型，Geomagic Studio软件可以提供最简单、最快速、最准确的方法”， GKS公司工程师兼Uniloy Milacron 工程负责人Han Le说。“你可以在不采集物理尺度和使用精度为0.0025毫米(0.0001英寸)的CAD模型的前提下完成对物体的模拟”。
$ M) p5 k# P2 g1 @' m7 J" l几分钟内完成数百万点
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1 P2 r7 ?4 e0 J. A& Y( j8 }: xLe目前一直使用激光设计DS3040扫描仪来捕获两升牛奶瓶的数据。尽管DS3040要求要选择适合CMM的探测器，但是选择DS3040使得整个操作过程更快速，并且可以采用无接触式扫描。
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“在使用传统的CMM系统时你不可能得到DS3040所形成的精确扫描结果”，Le说，“在用传统的方法时，你不得不使用基础式探针，而且不管进行多少次都不一定会产生特别精确的数据。除此之外，对于一个柔软易变形的物体来说，你不可能得到精确的数据因为它的物理形状总是在改变”。
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% i' i! Q( y, C  U/ _$ v0 [据Le介绍，激光设计系统的主要优点就是使用旋转平台来对容器进行全方位的扫描，并且可以轻而易举的整合用于普通并列系统的所有数据。

0 L" C% e5 a0 v/ ?' l8 X( {$ O' `* i新技术扫描一个牛奶瓶大约需要花一个小时的时间，并且收集了一个大约有两百万点的点云。这和Uniloy Milacron过去使用的CNC系统扫描容器所花费的24个小时相比占有明显的优势。CNC系统仅能捕获几千个数字点，但和激光设计扫描仪收集的数百万点相比便显得微不足道。此外，新的方案可以在更短的时间内提供更精确的数据，这为Uniloy Milacron公司的生产和程序安排都提供了很大的帮助。

图4. 在使用了Geomagic Studio的专利三角测量运算法则，扫描产生的点云可以自动的转换成数字多边型

“当我们进行这样的操作时，我们需要为切削操作中最重要的工具CNC机械争取时间”， Janeczek解释道。“但采用了GKS的扫描和数据加工过程，CNC机械就可以全速的完成切削任务，而且我们也不用担心使用它的时间安排”。
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点到面的转化

当这些数据点被激光设计扫描仪捕获的时候，它们被采用到Geomagic Studio软件中，在这里这些数据可以被寄存扫描，并且在保留精度、改正错误并且弥补漏洞的基础上整理这些数据设置。

这些点云模型在由Geomagic Studio软件提供的专利外围三角测量运算法则的帮助下转化为了一个多边形模型。新的功能可以根据软件自动地创造出一个清晰的多变形，并且具有区域模拟、优化多边形密度、固定重叠的交叉点以及编辑多边形特征等优点。

  o+ r! \* a' y0 ^图5. Geomagic Studio软件可以把复杂的多边形模型转化为精确的、高质量的NURBS(曲线曲面的非均匀有理B样条)表面，以供Pro/ENGINEER CAD 软件使用

最后的步骤就是创建一个可以直接用于CAD系统的NURBS表面模型。当不需要其余的先进控制的时候，Geomagic Studio软件只要轻轻点击一下鼠标就可以轻松完成。如果是模拟容量为两升的牛奶瓶，Le也只是根据细节部分调整一下具体的区域。为了这项工作，他使用了Geomagic Studio软件的技术来修补更加优化、采用适合的表面配置、并且进行轮廓的探测和扩充。
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" U9 m% ~8 S; p; ?  D; e, M“从多边型阶段到形状阶段再到CAD表面完成阶段整个过程大约需要花费一个小时的时间”，Le接着说“Geomagic Studio软件使需要细节分析的结合部分采用了自动的或手动的修补程序”。完整的模型是以IGES文件形式储存的，并且发给Uniloy Milacron公司以供Pro/ENGINEER软件使用。

Janeczek说“过去，为了得到我们想要的点云模型，我们大约需要3到 4天的时间”。“现在，只要不到一天时间就可以完成了。GKS提供了一个更加精确CAD模型，而且它可以直接用于Pro/E软件“。

6 c  y7 J' R$ E1 i据Janeczek介绍，新型模型在Pro/E软件操作中需要两个小时的工作时间。这包括瓶颈的完成、瓶帽罗纹的加刻、雕刻可再生代码和模型编号的瓶底，而且还可以根据客户要求加上他们的LOGO。

图6. Geomagic Studio软件进行的激光设计扫描——从多边形阶段到形状阶段再到CAD表面的完成阶段——大约花费一个小时的时间。表面模型最后被Pro/E软件采用然后进行最后的加工

在Pro/E软件完成操作之后，模型会被发送给Uniloy Milacron的模具设计和加工团队，他们用它来制造出一个这个模具的行腔，然后决定哪个机械是最适合切割这个行腔的，并且为所挑选的机械设备准备数字文件。如果加工容量为两升的牛奶瓶，Uniloy Milacron便采用A55 Makino系统来切割模具。切割结束以后，模具在被进行打磨和必要的手工操作之后便可以投入使用了。

更短的时间、更高的精度

. N7 K0 N: j- R5 l8 e, j# W对Uniloy Milacron公司来说，他们现在获取现有容器的数据和创造一个新的CAD模型的时间都比以往缩短了超过50%。根据Janeczek介绍，过去至少需要4到5天完成的工作现在只要不到两天的时间就可以完成。更高的精度以及更充裕的时间使Uniloy Milacron公司生产出的产品始终保持着一个高质量的标准，并且在相同的工作时间内完成更多的工作。用于切削中提高设计精度、节省CNC加工时间的DSSP操作工具是Uniloy Milacron公司进行生产特殊容器最有效操作观念的最有利证明。

) [- T, v% L( S9 C3 K2 c' b& }最后，不管在哪里使用容器，Uniloy Milacron公司和他的客户都会意识到包装质量可以使容器之间产生巨大的区别。

评：随着DSSP技术的发展，它的应用范围也变得越来越广泛，为产品设计、模具重建、质量检测、个性化制作提供了先进的技术。在国外，DSSP已经为一些著名的汽车公司如福特汽车公司生产原配零件和模具，并且为施耐德等知名电器公司提供先进的质量检测方法。而在中国，DSSP技术尚处于起步阶段，不过笔者相信，中国巨大的市场以及发展潜力使DSSP技术在不久的将来在中国一定能能找到自己的用武之地。(end)