浅析逆向工程的注塑模设计与制造

懒-洋洋

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。
8 j% E2 z, f7 G" e& R" I$ \
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。
: I  Y/ j+ O# N
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。
& P6 R9 ^) m; W, b( v
1 逆向工程的结构体系

/ a9 `# W, M; K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。
* m3 a4 ]6 |$ g$ D/ m1 k4 {1.1 数据采集
0 I( M9 J' N! S
9 F6 x7 E* \& i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。

. s; X3 X0 m' z& h: J1．2数据处理
. x' \9 X! B' Y
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。
! A, a' F5 G, O/ C# G' r, {
3 `- {; H+ X( m& c7 O1 W2 t* J$ K; b1.3 模型重建
2 l1 g& S* e; d2 e
0 U/ |) x1 J4 O3 J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。

2 塑料水壶模具的数字化设计与制造
  C* M4 x8 e! i% u2 q' O4 ]0 N
2．1水壶原型的数据采集

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。
2．2 数据处理
7 F+ `. W& }  l8 v
" i# d( m) }& r5 \* p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。
; F! M  d* }! r  R( d) t  |0 T
7 P% K  g2 @% Z1 W& k8 h9 {, W2．3水壶原型的重建

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。

! ^, _8 h. i% d1 N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。
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。
2．4模具零件的生成
! r* E1 j/ g& i( d- p7 r4 @
/ e! i4 b6 j0 Z( p+ }* m6 v0 P模具设计的流程通常为：
) _: Q/ Q7 i9 N: M
7 S0 C) \9 X+ Z' D( 1)制品设计( 直接创建三维模型或导入的三维模型) 。
( 2) 观察分析实体模型的出模斜度和分型情况。
(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。
; t; @0 T8 Y2 G(4)初始化项目名称、加载实体模型和单位。
) ^$ j, n; t1 U+ t2 m(5) 确定拔模方向、收缩率和成型镶件。
/ n. N4 i% M+ \6 T# n(6)修补开放面。
(7)定义分型面。
(8)加入标准模架、推杆、滑块、内抽芯和内嵌件。
8 b& {1 ^2 [  p0 e5 l: q* A(9)设计浇口、流道、冷却、电极、建腔和列材料清单。
(10)利用UG的CAM模块生成型芯、型腔的NC加工程序。

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
2．5模具零件NC程序的生成
7 Q4 i+ o5 R3 J. i6 @. |: Q
& H: I' j) ^, q+ q4 f, x6 M2 L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。

  W/ {& v7 D- g. j# b# O, }3 .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