从逆向工程视角谈模具设计流程

从逆向工程视角谈模具设计流程

1引言

传统的设计过程是通过对客户的需求进行分析后,构建出产品的CAD模型,再经过模具的设计、评审到CAM加工,最终制造出产品。逆向工程是基于精密的测量手段对产品实物模型进行3D数字化测量,依据测量数据通过三维几何建模的方法将实物模型转换为工程设计模型,并在原有基础上对实物进行优化和再设计的过程。

目前,中国汽车工业模具生产企业在生产技术及模具软件应用水平上同发达国家相比仍存在较大的差距,尤其是在设计水平、加工精度及成品检测等方面。因此中国企业每年投入巨大。为了有效解决这个问题,逆向工程在汽车工业中已得到了广泛的应用,尤其是在汽车内饰件产品及覆盖件模具设计方面。这类产品形状较为复杂,多为空间曲面;成品的壁厚较薄,受力易产生变形;产品的表面质量要求高等。基于以上特点,传统的模具设计方法在开发这类产品时十分困难。采用逆向工程技术可以有效解决这些问题,同时省时省力,设计出的产品表面精度高,而且大大缩短了模具的开发周期,极大地满足了客户需求。

2基于逆向工程的模具设计流程

图1为实物模具设计的逆向工程流程图,主要步骤有:实物模型数据采集、采集数据处理、曲面及CAD模型重构、CAE分析及模具设计。

实物数据的测量采集

根据测量探头是否和零件表面接触,实物模型的数据测量一般采用机械式接触或激光扫描非接触两种测量方式来获取实物表面点的三维数据。这两种测量方法都有各自的特点和应用范围,具体选用何种测量方法应根据被测物体的形体特征和应用目的来决定。

接触式测量中,应用最为广泛的测量设备是机械式三坐标测量机,机械式三坐标测量机适用于一些简单型面的数据采集,得到的是有序点数据,“点云”数据重复性好,但测量速度慢、效率较低;非接触式测量方法中,目前在工业应用中最成熟的三维形状测量设备是激光扫描三坐标测量机,激光扫描三坐标测量机则适用于一些复杂曲面的数据采集,能够得到大量无序的“点云”数据,测量速度快、测量范围广,但在测量精度方面低于机械式三坐标测量机。

数据处理

测量得到的“点云”数据里面包含大量的冗余无效数据,这些数据严重影响曲面的重构,因此测量得到的数据需要进行数据处理,包括异常点去除,测量噪声处理、数据分割以及多视图拼合,精化“点云数据,去除无效的数据点和提高曲面重构的精度。

同一曲面的扫描数据中,如果一个点与相邻的点存在偏距较大的现象,那么可以认定这个点是“异常点”,异常点去除就是消除这些点的过程;为了得到光滑的曲面模型,需要对测量数据进行数据平滑处理以消除测量噪声;产品形面通常是由很多张不同的曲面混合而成,需要对不同的曲面进行边界检测,提取出曲面特征线,然后根据不同曲面的特征线将形面分成多张曲面分别进行拟合,最后再拼接在一起;对实物模型进行测量时,通常不能在同一坐标系下将所需要的所有数据测量完毕,多视图数据拼合就是将这些在不同坐标系下的多视图数据统一到同一个坐标系中。

曲面及CAD模型的重构

曲面重构方面的研究在逆向工程以及相关领域内是相当活跃的,参数曲面在跨界连续性、曲面约束及局部控制方面都具有良好的表现形式,因此也被普遍应用于曲面拟合中。根据“点云”的空间拓扑形式将参数曲面重构方法分为两种形式:矩形域曲面重构和三角域曲面重构。

实物模型CAD模型的重建,是在逆向工程软件中将分割后曲面的三维数据分别做各曲面模型的拟合,通过拼合各曲面模型来获取实物样件表面的曲面模型,进一步获得实物样件的实体模型。

在各分割曲面模型的拟合过程中,需清楚构成实物模型的各分割曲面的品质要求及表面类型,正确理解实物模型作者的原设计意图,最终决定建模软件及模块的选用。

3逆向工程应用实例

本文通过运用ATOS设备以某型号轿车车身件为例具体说明逆向工程在汽车工业模具设计中的应用。

“点云”数据的采集

数据测量采用德国GOM公司研发的ATOS光学测量系统,测量前系统首先要进行调零处理,并且在模型的表面涂抹反差剂,然后再将模型固定在转台上。在不同位置对模型进行扫描测量,这样将得到多张点云数据。模型是在一次定位的情况下进行多次测量的,这样保证了测量系统通过计算就可将所有的点云数据统一到同一坐标系下,然后将完整的点云数据加载到CATIA软件中打开。点云采集见图2。

数据处理

首先在CATIA软件中,使用删除和滤除的功能去除多余噪点。然后将滤除处理后的点云进行网格铺面及网格面修补。通过调节“Neighborhood”参数来确定网格面的大小,此参数为一个圆球半径,在点云中只要有3个点在此半径范围内,CATIA就会建立一个以此3点为顶点的三角网格面。三角网格面中将存在破洞,破洞通过“网格面修补”命令进行修补。这样点云就铺设成了“网格面”,是由成千上万个大小不等的三角面构成的。铺面完成后,进入QSR模块工作台,将边界交线转化为特征曲线。

曲面及CAD模型的重构

曲面重构是逆向工程的关键控制因素,曲面重建的质量将直接影响到后续的模具设计。CATIA软件的建面功能没有其他的CAD软件功能强大,所以通常在CATIA里拟合的曲面,还需要在其他专业的CAD软件下进行修改。本文采用CATIA与Pro/E相结合的方法,首先将“点云”数据在CATIA里拟合成曲线,然后将控制线数据引入到Pro/E中,将曲线构建成曲面。各部分分割的“点云”分别进行上述步骤的处理后,然后在Pro/E中拼合得到最终的CAD模型。产品的3D模型如图3所示。

分析及模具设计

获得CAD模型后,最好加工出一个快速原型件来检验重建的CAD模型是否满足实用要求。为确保后期成型的可靠性,应该利用CAE分析软件进行模具的成型过程分析。成型CAE分析的结果为模具设计和制造提供可靠、优化的参考数据,其中主要包括浇注系统的平衡,浇口的数量、位置和大小,模腔内温度和压力的变化等。本文利用Moldflow软件对成型过程进行分析,找出最佳注塑位置以及压力变化的规律。

4结语

逆向工程技术是用实物测量进行快速反求建模,再结合CAD/CAM、快速成型技术实现实物样件的快速建模与制造,在与模具相关的制造业中有重大应用价值。将逆向工程技术应用于汽车工业模具设计,在缩短了模具开发周期的同时,大大降低了模具的研发成本,保证了产品的精度要求,实现了模具快速制造。但与CAD/CAM技