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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。 : A  s8 c1 C7 B: t
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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。
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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
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  ?) J2 X' D" ^7 @6 I0 S  M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。
$ ~' \: D7 L+ h  f; g7 Z  r& F; j1.1 数据采集 7 ^& S8 J5 x. u! a3 j, Y

" r; s- B2 R7 ]/ Z6 K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。
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1.2数据处理 - F6 c+ u, y: b. _1 R

' J4 j; |: {0 w9 P+ G; p# n) }  @% n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。
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! F7 k/ G: b" G7 ?1.3 模型重建
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6 B7 w- T* l6 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。
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2 塑料水壶模具的数字化设计与制造 $ v/ S( p* G; O/ I" H
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2.1水壶原型的数据采集 8 G  c  Y( b3 x

) ^/ X+ E+ I2 b. x' d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。 8 ?2 I. Y" W+ q7 O; y7 ]; }% F* k
2.2 数据处理 . Q0 l8 P' t- H- J$ h  P
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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。 / [2 I0 s6 U- i3 L
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2.3水壶原型的重建 2 a$ ^3 @/ q. y8 N- T) Y
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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。
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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。 9 c% _. _2 c2 z
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。 ! k  c. s  r' M0 z- U8 ?+ P  {: c, u, ^
2.4模具零件的生成 ' T! M, q. D5 ]& r2 C9 A: G! Z

; A# y5 O/ Y  Y6 E# d3 F3 J模具设计的流程通常为: * @- @; F7 G, R, \9 J) E- A2 k

! O& ^2 [" j3 u# u$ ^8 G) c; A( d( 1)制品设计( 直接创建三维模型或导入的三维模型) 。 ) \6 S( S, L7 `/ y* y' b: K7 p
( 2) 观察分析实体模型的出模斜度和分型情况。
9 K8 E6 v$ `( l( c3 y! Q/ G% 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。 8 F" W# h2 s) r, {5 S8 s7 C
(4)初始化项目名称、加载实体模型和单位。
1 \" A# t2 Y" R7 X) j: x(5) 确定拔模方向、收缩率和成型镶件。
/ O) a' Z8 J1 ?7 H) B: C5 Y(6)修补开放面。
; h- Y' ^' i; K& N+ b9 ?(7)定义分型面。
) R& r9 C& T9 t& e+ ?) Q; l(8)加入标准模架、推杆、滑块、内抽芯和内嵌件。 # x. E: J7 u" o6 e# K0 x
(9)设计浇口、流道、冷却、电极、建腔和列材料清单。
# k& q" J- q" M(10)利用UG的CAM模块生成型芯、型腔的NC加工程序。 - v2 B( ^( \7 \
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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
2 k7 D+ X2 N6 [) r0 [2.5模具零件NC程序的生成 - `) g/ v; z/ n& a, Y
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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。
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3 X! S( u! V- p. j8 z3 .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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