基于数码图片特征的产品建模和快速制造

作者：李亚敏 齐国庆 刘洪军

欢迎访问e展厅 展厅 5 三维打印机展厅 三维打印机, 快速成型机, 3D打印材料/光固化材料, 快速成型制造软件, ... 传统的产品设计制造一般首先由造型设计师开始，根据产品要求和构思做出草图，或者由设计师根据实物原型构思，通过石膏模型来反求原物，经过不断的修改完成原型设计，然后结构工程师确定出产品的结构设计，根据消费市场需要，制作不同比例的原型，最后进行模具的制造，以便使产品能够大量生产。 然而在许多情况下，并没有实物模型，也没有产品的图纸，而只有数码图片，该图片可能是产品原创造型的设计来源，或者可能含有产品设计的重要特征。在此情况下，如果能够根据数码图片信息使产品模型化，甚至开发出相应的模具，将是产品原创设计制造的一个简单有效方案。在本文中首先介绍了一种基于数码图片的产品CAD 设计方法，在虚拟的计算机环境中(本文中使用的设计环境是Pro/ Engineer 三维造型软件)对产品进行三维造型，使数据图片的二维特征生成具有关键设计信息的三维模型，然后将该模型数据输人到快速成型机中，就可以很快制造出产品的原型，用于设计评价或者市场调研，对于单件产品也可以经过后期处理后直接成为最终的产品。制作出的快速原型如果能够结合其他制造工艺还可以做出不同类型的快速模具，用于批量生产。本文中采用SLA 快速原型和硅橡胶制模工艺快速制造出了硅橡胶模具，可以用于真空注型产品的小批量制造。 1 基于数码图片特征和Pro/Engineer 环境的产品快速建模 在互联网或者图片库，甚至自己拍摄的数码照片中，往往有一些信息会激发产品设计或者制造者的灵感，将其中的部分特征运用到产品中。但是数码图片是二维平面的，而产品模型往往是三维的，如果将二维平面特征用到三维的产品建模中，需要将所需要的特征提取出来，根据设计需求修改后体现在三维CAD 设计中，这个过程是通过CAD 设计软件来完成的。在本文中采用Pro/ Engineer 软件。PRO/ Engineer是美国PTC 公司的产品，具有强大的实体建模、装配、工程分析等功能，模块众多，特别适合于各类产品的三维设计。广泛应用于电子、通讯、机械、模具、工业设计、汽车、航天、家电、玩具等各行业，特别是在模具设计和制造行业中，已广泛利用其强大的造型功能，准确完整地表达和描述模具的复杂曲面和实体造型。在本文中使用该软件进行图片关键特征的提取及其三维模型生成。 以一个图片实例介绍产品建模的过程，如图l 所示。图片中龙的造型非常有特色，想要根据此龙的造型制作桌面工艺品。首先需要在图片中提取龙的特征曲线，并且进行修改.然后生成三维模型，最后添加部分特征完成产品设计。 从图1 中可以看到产品造型比较复杂，有着不规则的外形，并且其表面多为曲面。用一般的拉伸、旋转命令是很难做到的，如果在ISDX 下制作那些曲面的话，就可以相对容易地达到理想的效果。 基于数码图片特征的产品建模过程如图2 所示。首先根据PRO/E 提供的眼踪草绘功能获取一些重要的点，他们带有图形的特征信息，再通过这些点做曲线，然后通过曲线来构件曲面，最后生成实体。其设计思路为点→线→面→实体。设计步骤为: (1)进人PRO/E 环境后，首先建立一个"零件"( .PRT) 文件。 (2) 打开下拉式菜单Insert- Style 进入造型特征，然后点选Trace Sketch ，即跟踪草绘功能。在Trace Sketch 对话框中可以看见三个选项，即三个不同的视图，这表明ProlE 可以提供至少从三个视图对图片提取轮廓信息。选择Front 面当作底面，并选取所需的图片铺在底面上以进行描绘，为了使图片更加清晰，可以在属性栏(Properties) 中将Translate 设置为零。在图片的左右两边各有一条黄钱，移动此钱可以选择所需要的图片尺寸的大小，同样可以调节上下区域的高度，当调节好图片的位置后，我们就开始对图l 中龙的轮廓线进行绘制。 (3) 点选Front 面作为基准面，此面上就会出现网格，也就是表示此面为活动平面。改选左下角为Plannar ，开始平面曲线的绘制，为了使做出来的原型更加精确，可以放大图片。沿着图形的轮廓选取若干个点，通过曲线将这些点连接，即可得到所需图形的大概轮廓。同时值得注意的是，为了得到质量好的曲线，点的数量尽量少取。其命令为Set the active datumplane-Fronr-Create Cures-Planar。当轮廓线描绘完毕后，如果对其中的某些部分不满意，可以通过Curve edit 来编辑曲线，并可同时配合曲率图修改，直到满意为止。提取并修改后的特征曲线如图3a 所示。 (4) 由于轮廓曲线还是平面图形，而需要得到三维实体模型以用于产品制造，因此需要将此特征曲线根据产品设计需要进行三维实体化。先做一个基准面，使之平行于Front 面，两面间距适当即可，选择需要的特征曲线段，将其投影到新建的基准面上。其操作如下:点下落曲线一点引伸曲面(即Front面)一点刚产生的曲面(即DTMI) -选DTMI 为下落方向一点OK ，即可完成下落曲线。为了能用若干小曲面来构建实体，还得结合图片的信息在FRONT 面和DTMI 面上所绘的轮廓之间加上空间曲线，将两个面上的轮廓线连接起来，形成一封闭的区间以便构建曲面。如图3b 所示。在ISDX 中可通过四条或三条空间(或平面)曲线来构建曲面，Stying-Swface-Boundary Curves ，也可加一条中间曲线(Seconday)以使曲面更加符合要求。为了保证两连接曲面的质量，相连曲面之间的连接方式分为三种级别，分别为GO 、G1 、G2.GO 连续会使图形产生锐利的边缘，应尽量避免; Gl 表示由面相切连续，也就是一阶连续，通常所画的面都如此; G2 表示相邻面的曲率是连续的，即二阶连续，这种由面很难达到。依次将曲面建好后，还需将所有曲面进行合井，合并所用的命令是Insert-Merge ，每次可将两个或多个面合成一个面，反复此过程，直到最终合成一个完整的面，到此就完成了一半的曲面的构建。图3c 为合并后的曲面。 (5) 本文设计的模型是关于Front 面对称的，接下来通过镜像将其变成一对称的封闭的三维曲面。用edit - Mirror 即可，选Front 面为对称面。在镜像之后还必须通过Merge 命令把原始曲面和镜像后的曲面合并成一个曲面，为后面的实体化做好铺垫。到此曲面的构建就已经完成。用Edit - solidity - Protrusion-OK 即可生成三维实体模型。 (6) 三维模型的棱角处通过倒圆角使之光滑，底部支撑及眼睛部分可用拉伸命令来做。 (7) 根据我们的产品设计要求，最后在兰维CAD 模型上添加底座、文字和图标等。那这个设计构思源自数码图片特征，而产品设计完全按照需求的全新设计就完成了，如图3d 所示。 2 SLA 原型快速制造工艺 SLA方法是目前快速成型技术领域中应用最广泛的工艺，具有原型精度高、制造速度快的优点，本课题采用该方法制作上节设计产品的快速原型。SLA 技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。在一定波长(如λ= 325 nm)和强度的紫外光的照射下，光敏树脂材料能迅速发生光聚合反应，材料也就从液态转变成固态，层层堆积形成快速原型。SLA 成型设备采用西安交通大学光固化快速成型机(型号: SPS450) ，该设备由激光扫描系统、托板升降系统、树脂循环系统与涂层系统、温度控制系统和计算机控制系统五个部分组成。 首先将设计完成的龙造型工艺品的CAD 模型在Pro/E 中输出为STL 格式。由于STL 文件无法供成型机直接使用，必须把其转化为二维层片零件的轮廓信息，因此需要用数据处理软件对三维零件进行分层切片处理。数据处理软件采用西安交通大学开发的RPData。在RPData 中对当前模型进行分层，分层厚度为0.1 mm. 快速原型制作是将制造数据传输到成型机中，快速成型出零件的过程，它是快速成型技术的核心。一般根据要制作零件的特点、设备的状态和做出的零件的情况改变工艺参数。零件的特点主要考虑零件的最大高度、横截面积大小、支撑加的多少等方面;设备的状态主要考虑光强。根据已经做出的零件的固化情况、边界、棱角及误差大小等方面的情况，修改工艺参数。本研究中采用的主要工艺参数为:激光扫描功率190MW，基础高8mm，每层厚0.1 mm ，填充扫描速度4 600mm/s,支撑扫描速度1600mm/s，跳跨速度10 000 mm/s ，轮廓扫描速度3500 mm/s，补偿直径0.16 nun ，工作台升降速度2mm。 零件制作完成后，计算机会提示要取出制作完成的零件，首先将工作台升出液面，然后用铲子将其铲出。零件取出后，用乙醇溶液清洗，除去支撑。待清洗完毕后，即可对其进行后固化。将零件放紫外灯下照射约15 min 即可。原型一般还需要打磨，以得到良好的外观。制作好的龙造型SLA 原型如图4 所示。 3 硅橡胶模具和真空注型聚氨醋零件的制作 3.1 基于SLA 原型的硅橡胶模具制作工艺 采用快速成型原件做模型，可制作硅橡胶模具。这种模具具有良好的仿真性、强度和极低的收缩率，脱模容易，同时模具修改也很方便。硅橡胶模具可以作为真空在型工艺的模具，有可作为中间过搜模制作精密铸造用的铸型。硅橡胶制模工艺过程为: (1) SLA 原型表面处理SLA 原型需进行表面抛光等处理以降低原型的表面粗糙度。只有原型表面足够光滑，才能保证制作的硅橡胶模具有较高的表面质量。 (2) 制作型框和固定原型依据原型的几何尺寸和硅胶模使用要求设计浇注型框的形状和尺寸。在固定原型之前，需确定分型面和提口的位置。当分型面和浇口选定并处理完毕后，便将原型固定于型框中。 (3) 硅橡胶计量、混合并真空脱泡硅橡胶用量应根据所制作的型框尺寸和硅橡胶的密度准确计量。将计量好的硅橡胶添人适当比例的固化剂，搅拌均匀后进行真空脱泡。脱泡时间应根据达到的真空度来掌握。 (4) 硅橡胶浇注及固化硅橡胶混合体真空脱泡后浇注到已固定好原型的型框中。硅橡胶浇注后，为确保型腔充填完好，再次进行真空脱泡。脱泡的目的是抽出浇注过程中掺入硅胶中的气体和封闭于原型空腔中的气体，脱泡后，硅胶模可自行固化或加温固化。加温固化可缩短固化时间。 (5) 拆除型框、刀剖开模并取出原型当硅橡胶模固化后，即可将型框拆除井去掉浇道棒等。参照原型分型面的标记进行刀剖开模，将原型取出，得到具有原型形状型腔的硅橡胶模具。 经过实验得到基于SLA原型的硅橡胶模具制作的工艺参数:硅橡胶与固化剂的比例为10 比1 ;真空脱泡时的真空度为一85 kPa ，时间大约为5 min; 室温固化时间约为24 h , 50°C下固化时间约为4h。 3.2 真空注型工艺 利用硅橡胶模具在真空注型机可以进行20- 30件的聚氨醋零件的快速制作，这样通过上述工艺设计并制作出快速原型的原创产品可以进行小批量产品的生产，也可以进行样机的试制来对市场进行分析和设计测试等。 真空注型工艺是在真空环境下向硅橡胶模具中浇注双组份聚氨醋材料，而后固化形成具有硅橡胶模具型腔形状的产品。使用真空注型机前，将硅橡胶模具装配好后放入真空室，按照预先设定的参数，机器开始抽真空，排除气体，将聚氨醋的双组分在真空环境下充分混合，然后适当降低压力，经过一段稳定化阶段后，将由合后的聚氨醋液体注入硅橡胶模。释放真空，将硅橡胶模在室温下静置30 min 后再将其放入烘箱中烘烤2- 3 h ，使液体聚氨醋完全固化。利用这种工艺可以在一套硅橡胶模中制作20 - 30 个聚氨醋零件。基于龙造型的SLA原型制造的硅橡胶模和真空注型聚氨醋零件如图5 所示。 4 .结束语 创新设计和快速的市场反应是企业在激烈的市场竞争中取胜的关键。本文的产品设计和快速制造方法将三维CAD 造型和快速原型及快速制模工艺相结合，为新产品的开发提供了一种简便快捷的途径。该方法的重要特色是基于数码图片的特征造型，可以将一些平面图片中的关键特征用于三维立体产品的设计中，尤其适合于一些比较注重造型而不很注重精度的产品特征中。本文介绍的工艺既可以用于部分新产品的开发中，也可用于工艺品的造型中。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/15/2007)