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浅析逆向工程的注塑模设计与制造

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发表于 2010-12-22 09:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
将逆向工程技术应用到塑料水壶模具的设计与制造中,通过采用PIX-30三坐标测量仪采集数据,利用ug软件进行数据处理、模型重建、模具设计及自动编程,从而实现注塑模的快速设计与制造。 " Z5 t2 ]4 K. e& F+ f; N6 C

7 R# ^! u+ `7 \0 F/ ~1 `在塑料产品的开发过程中,几何造型技术已使用得相当广泛。但由于种种原因,模具企业从厂商接受的技术资料往往并非CAD的模型,而是由复杂的自由曲线曲面组成的实物样件,若采用传统的方法设计制造产品,生产周期长,成本高,无法应对瞬息万变的塑料品市场,而逆向工程(Reverse Engineering)为解决这一难题提供了便利。因此逆向工程作为一门新兴学科越来越受到人们的关注和重视。传统的设计方法是以功能为基础,通过方案设计、图样设计及产品制造、装配,以获取产品实物作为最终目的,而逆向工程设计是针对现有工件,尤其是复杂不规则的自由曲面,利用3D数字化测量仪,准确、快速地测量出轮廓坐标值,并构建曲面,经编辑、修改后,转至一般的CAD/CAM系统,将原有的实物或影像转化为计算机上的三维数字化模型,再由CAM产生刀具的NC加工路径并传送至CNC机床,制作所需模具,或者生成STL文件,用快速原型技术( RP) 将样品模型制作出来。 $ V7 p! u) w  d8 y9 [2 o
& y) E! }( P0 F! j
根据样品的三维数字化模型,可以反复修改模具型面,并自动生成NC加工程序,从而大大提高模具生产效率,降低模具制造成本。逆向工程技术在我国,特别是在注塑行业有着十分广阔的应用前景。
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1 逆向工程的结构体系 3 x! ^7 ~; P: x" ?' U

* }5 i4 _$ e. }- Y$ u& V- e8 A& I/ R目前逆向工程的工作流程如图1所示,主要由三部分组成:产品实物外形的数字化、CAD模型重建、产品或模具制造。逆向工程的关键技术是数据采集、数据处理和模型的重建。 , A, K$ e3 _' k8 s0 ~/ z, v, \; ?! x
1.1 数据采集 8 T  r) t  p4 G/ f

5 m3 T& d) }! L  B9 u2 [+ e4 C数据采集是逆向工程的第一步,其方法正确与否直接影响实物的二维、三维几何数据,影响到重建的CAD实体模型的质量,并最终影响产品的质量。 ! h: ^4 S7 S* m" S0 y! f
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1.2数据处理
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对于获取的一系列点云数据在进行CAD模型重建前,必须进行格式的转换、噪声滤除、平滑、对探测头半径补偿等处理。 & W: _, W6 z  {8 f( m! b9 i

! v- {+ U3 s" Z- }1.3 模型重建 ) Y6 Q3 v$ B% ~5 F) M
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将处理过的测量数据导入CAD系统,依据前面创建的曲线、曲面构建实物的三维数字化原型。   o; F; T" {7 _  A! ]( O$ Q

4 S4 p) o' c, D% P( {% c2 塑料水壶模具的数字化设计与制造 8 m( g3 n) h* |" I

$ ?/ L8 ?! E. _8 ^: i2.1水壶原型的数据采集
3 o$ L: p* u# g8 @) S# }) \
* [6 p4 c/ u4 m$ G3 }7 y. D' R( L使用PIX-30三坐标测量仪扫描测量,得到点云数据。首先将水壶固定在扫描平台上,调整扫描探头的扫描区域,使扫描区域正好包含水壶的最大尺寸。然后进行自动测量,测量中点与点间距及扫描线与扫描线间距均可自由设定。测量数据以STL格式保存,便于以后用UG软件打开。
1 _8 Q+ u$ k8 s5 s6 Y; {$ y2.2 数据处理
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, p1 z- j2 [0 d4 M由于三坐标测量仪的测量放法,误差处理方式及周围环境等因素的影响,使采集到的点云数据不可避免地受到噪音的污染,同时在凹陷区肯定会产生测量盲区,所以,在反求模型之前必须对数据进行编辑。删除不需要的点数据,过滤噪声,减少点数据数目,在曲面的变化缓慢的地方取点密度较稀疏,在曲率变化较大部分要密集取点。对于采点盲区,可以采用填充命令进行修补。首先对原始点云进行去噪平滑处理,这样修补后的模型整体光顺性可得到进一步提高。
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2.3水壶原型的重建
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在UG系统中,曲面是一种泛称,片体和实体的自由表面都可称为曲面。UG曲面的数学性质为B曲面,也就是NURBS( 非均匀有理B样条) 曲面。B曲面由若干曲面片( 补片) 构成,其参数曲线是多段样条;单补片曲面是贝塞尔曲面,其参数曲线是单段样条,贝塞尔曲面是B曲面的特例。UG系统具有强大的曲面建模功能,在设计时,由点云数据先构造曲线,再由曲线构造曲面。创建自由曲线,主要使用Spline(样条曲线)命令。在UG中运行Insert Curve Spline菜单命令,出现Spline对话框。可在对话框中选择Bypoles、Through Poi nts、Fit及Perpendicular to Planes四种方式创建曲线。并可在后续步骤中进行控制曲线阶次与段数、曲线的分析显示、指定斜率和指定曲率等操作。 5 M/ U6 A/ x9 }/ O  W( t! F
+ b( a7 {/ ]  j- `4 B
一般地,为了提高最后的曲面质量,曲线的形状要达到以下要求:没有尖点、曲率变化均匀平滑、曲线上的控制点数量尽可能少。同时要保证曲线的整体特性,如凹凸性和光顺性等。利用预先构造的曲线作为输入数据创建曲面是构造曲面的主要放法。主要命令为:Insert/Free From feature子菜单下的通过曲线创建片体( Through Curves)、通过曲线网格创建片体( Through Curve Mesh) 、通过曲线扫描创建片体(Sweep) 等。
( Z" K* i5 W, e2 w建立片体不是UG建模的目的,最终的目的是要建立实体模型。UG中可通过缝合、补片体、修剪实体、加厚片体等方法生成实体。 2 }1 \- }% y4 J5 I2 k) i' B
2.4模具零件的生成 9 H& Y: d: d% f* K. Z, c& k

5 r! R. E8 ]8 h2 n. a& v模具设计的流程通常为: 2 Z3 C( u/ e2 R
- D9 Q2 H. r( ]6 i% V: H: a
( 1)制品设计( 直接创建三维模型或导入的三维模型) 。
+ ^4 z# ], C  A6 ]( 2) 观察分析实体模型的出模斜度和分型情况。
7 G' S. {! |3 N/ O- n(3)设计模具的分型面、模腔布局、内嵌件、推杆、浇口、冷却和电极。 6 n' T: I6 u/ J0 r; `5 t& \/ X
(4)初始化项目名称、加载实体模型和单位。
& W3 k0 ?6 C( p/ W4 |(5) 确定拔模方向、收缩率和成型镶件。
9 d: w5 ^# u( g5 N6 q7 s' V(6)修补开放面。 7 R" j1 I. m( w+ E
(7)定义分型面。
- H) o4 |/ Z3 S: S4 r1 Y(8)加入标准模架、推杆、滑块、内抽芯和内嵌件。 9 W# m+ }4 ~! d% U
(9)设计浇口、流道、冷却、电极、建腔和列材料清单。
" h- t' g+ M7 ~- Y, X' j9 y(10)利用UG的CAM模块生成型芯、型腔的NC加工程序。
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利用UG中的注塑模具设计(Mold Wizard) 模块,调入获得的水壶原型,通过设定Z轴的正方向为顶出方向,设置模具坐标系,取塑件的收缩率为1.005,再通过设置成型镶件、布局、修补、建立分型线、建立分型面,从而可以快速设计出注塑模的关键件——凸模
# \6 x6 Y/ {2 A3 E5 v2 U2.5模具零件NC程序的生成 3 r, j6 r+ g+ U! L" q: o: O

! N  o. K, r' o  v2 S将获得的模具零件直接导入UG的CAM模块,根据曲面选择不同的刀具和加工方式,设置合理的工艺参数、切削用量、主轴转速等参数。模拟仿真确认无误后,选择加工中心的后处理器,系统自动生成铣削定位NCI 和NC文件,通过网线与机床通讯并实施加工。 6 Z0 h3 W) c2 a8 [8 G

& i7 X  R% Z" r# B3 .将逆向工程技术应用到注塑模的设计与制造中,借助于三坐标测量仪和UG软件,通过数据采集、数据处理、产品建模、模具设计、NC程序生成以及加工。可以大大缩短模具的设计与制造周期,加快产品的开发速度,提高产品设计与制造的精度,增强企业的竞争能力。特别是在零件形状复杂的模具设计与制造中,其优势更加明显。因此,逆向工程的应用,将有助于提高整个模具的技术含量,提升模具企业的竞争力
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