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基于数字化反求工程的快速模具设计 |
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作者：山西农业大学 闫亚琴 郭亚红 |
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摘要：利用三坐标测量机和合理的曲线检测算法，将测量曲线结果以ibl格式传给Pro/Engineer软件，利用Pro/Engineer软件的曲线编辑和造型功能，实现了电话机模具的快速设计。
关键词：三坐标测量机；电话机模具；反求工程；模具制造
1 反求工程及其实现过程
反求工程是对已有的零件或实物原型，利用3D 数字化设备，准确、快速地测量出实物表面的三维坐标点，并根据这些坐标点通过三维几何建模方法重建实物的CAD 模型的过程。反求工程具有与传统设计制造过程截然不同的设计流程，一般可分为四个阶段：
(1)零件原型的数字化。通常采用三坐标测量机或激光扫描等测量装置来获取零件原型表面点的三维坐标值。
(2)从测量数据中提取零件原型的几何特征。按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原型所具有的设计与加工特征。
(3)零件原型CAD 模型的重建。将分割后的三维数据在CAD 系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接，获取零件原型表面的CAD 模型。
(4)重建CAD 模型的检验与修正。根据获得的CAD 模型，采用重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD 模型是否满足精度或其它试验性能指标的要求。对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的设计要求。图1 为典型的反求工程流程图。
图1 反求工程流程图
2 自由曲线的检测方法
由实物建立CAD模型，要求首先对其实物表面进行数字化处理。由此可见，反求工程的关键技术有两个方面：一方面是实物模型表面数据获取技术，即数字化测量技术；另一方面是曲面重构技术[1]。
数据处理是反求工程中的关键环节，它的结果将直接影响后期模型重构的质量。传统的测量方法是以CMM为代表的接触式测量。目前，对于CAD 系统的表面造型功能而言，基本上采用的是由点成线，再由线成面的造型方法。实体造型也基本如此，只不过在曲线处理方面有一些特殊要求。所以从CAD 造型角度看来，三坐标检测方式的重点应集中在自由曲线检测方面，曲线检测的合理将为后续的CAD 造型带来极大的方便[2,3]。三坐标检测方式的重点在于曲线检测的路径规划，如果测头能以设计者希望的轨迹进行测量，将会提高三坐标测量机的测量精度和工作效率。
自由曲线的检测的复杂性主要体现在两方面：（1）采点数量的多少；（2）检测的自动化程度。针对自由曲线检测所存在的两个问题，文献[2]提出一种折中的检测方法，即在考虑到采点密度问题的同时，也考虑到检测自动化与人工干预问题。在操作人员尽量少干预的情况下，使采点数量与检测路径在最大程度上满足要求。
基本思路是：首先在需要检测的自由曲线上面采集少量几个点，通过这几个点来粗略描述检测路径；再在这几个点所描述检测路径的基础上，进行检测路径的自动规划，根据检测的密度要求，进行检测路径的细分。这样既可以灵活控制检测动作的空间轨迹，又可在少干预的情况下，得到大量的点位信息，提高了检测的自动化程度和合理性。
2.1 检测路径的描述
目前在各CAD 系统中，对自由曲线的描述基本上都是采用三次样条曲线。这种描述方法对曲线的控制较为灵活，局部的变动对曲线整体的性质影响不大，在对曲线的连续性和光滑性处理方面功能强大。
在对三次样条曲线进行描述时，通常采用控制多边形的方式，即由若干控制点来控制曲线的形状。控制点是用来确定曲线和曲面的位置和形状的，而相应的曲线和曲面不一定经过的点。为了使生成的曲线通过所给的点（在这里我们称之为型值点），那么首先应由这几个型值点反求出通过其的控制点，而后由这些控制点去描述所生成的曲线。
2.2 检测路径的细分
通过2.1.1 所建立的样条曲线，可较为完整地描述检测路径。通过这条检测路径可使测头按照合理的方式空间移动，得到性能优良的点位信息。如果所给点的数量及分布越合理，则检测路径与实际曲线越类似，两者的差别也越小。路径细分的目的就在于检测出这些差别，使采集到的点位信息真实反映实际曲线的情况。
为便于操作者控制检测路径的细分程度，采用以距离为标准进行路径细分的方法，使生成的各测点在曲线上的分布尽量是等距的。
检测路径细分完成后，便可生成具体的检测程序了。测头的碰触方式统一采用垂直向下的接触方式。由此点位检测的两个关键因素都可以确定：一是碰触方向，统一采用垂直向下；二是待测点的空间位置，由检测路径细分得到。
依据检测路径的数学模型，通过程序取不同的检测步距，便可生成采集点位数量不一的检测程序。图2 为一曲线检测实例，(a)图为由六点生成的三次样条曲线形式的检测路径，其中的三角形点表示六个检测路径控制点，曲线表示由这六点
所生成的检测路径；（b）图为以步距10 mm进行的检测路径细分，·为加密点，o 点表示对应每一·点的检测起始点。 
图2 曲线检测路径
3 实例
3.1 数据的测量
电话机外壳由许多复杂曲面构成。由于测量时测头和表面接触力很小，电话机外壳固定方式采用底座四支撑平面加双面胶固定在工作台上。以工作台面作为XOY坐标平面，沿工作台法线方向作为Z轴，取电话机外壳的横向对称中线上任意一点为原点，电话机横向为Y轴，纵向为X轴[4]，三坐标检测。
3.2 CAD 造型
利用上述步骤完成数据的测量，并将三坐标测量机测得的3D 点数据以QI TECH 格式输出。为了满足Pro/Engineer 的数据格式，必须在文件开头加入Open arclength、Begin section, 以及每段开始处加入Begin curve, 生成Pro/Engineer 能够识别的.ibl 数据格式。
利用Pro/Engineer 软件的Scantool 模块的移动、拟合、断裂、组合、投影等功能，去除特征曲线的坏点，并对特征曲线进行光顺处理(图3 所示)，从而保证面的光顺性。
图3 电话机外壳特征曲线
对于电话机外壳上的一些规则形孔的测量与处理，这里不再赘述。通过曲面造型和实体造型，得到如图4 所示的电话机外壳模型[5,6]。
图4 电话机外壳造型图
利用Pro/Engineer 软件提供的模具设计模块，考虑收缩系数，得到电话机模具的阴模和阳模,如图5 所示。
图5 电话机模具图
4 结论
基于数字化反求工程技术，借助接触式坐标测量机，采用高效的曲线检测算法，与Pro/Engineer强大的造型功能相结合，可以实现数字化测量和CAD/CAM的无缝连接。这一方法为实施零件的快速模具制造提供了一条切实可行的路径，从而可以加快产品的研发周期，提高企业的市场竞争能力。
参考文献：
[1] 何杰.CAD/ CAM 逆向工程在模具开发中的应用[J].计算机辅助工程，2000，(3) :55- 56.
[2] 王广彦.基于CAD 的加工中心在线检测关键技术研究[D]. 河北工业大学硕士论文.2002:21- 26.
[3] 吴永清.智能三坐标测量机检测规划中若干关键技术的研究[D].博士论文，天津大学,2001:46- 56.
[4] 刘斌.塑料挤出流动数值分析及其模具结构设计优化研究[D].博士学位论文，大连理工大学,2003.
[5] 肖尧先，柯映林. 基于实物模型的反求工程造型应用[J]. 机械设计与制造，2002，（3）:77- 78.
[6] 蔡玉俊.复杂曲面数控加工的综述[J].电加工与模具，2003，(3):46- 50.(end)
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(2/3/2007) |
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