大型曲面类产品的快速制造技术研究 - 文章

大型曲面类产品的快速制造技术研究

作者：武殿梁洪军黄海量丁玉成卢秉恒

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随着信息时代的到来和制造业全球化趋势的加剧，市场对产品的性能、价格和交货期的要求更加苛刻，产品的生命周期缩短、品种增多、批量变小。这些都要求制造企业能够快速开发出高质量的产品，以响应市场的需求、提高自身的竞争力。

大型复杂曲面类产品开发难度大、周期长并且质量难以保证，采用传统的开发手段已经不能适应市场激烈竞争的要求。作者所在的研究所采用全新的技术手段，仅用三个月即完成了总后某单位委托的1﹕1人体模型的模具和10套样件制作，由此也探索出了一种关于此类产品的快速开发模式。

1、大型曲面类产品快速制造的新技术

人体具有形状独特而复杂的自由曲面，难以直接描述，工业设计和详细设计时一般均不能直接建立CAD模型。通常是以模型（如石膏模型或粘土模型）或经手工修整后的样件为设计原型。

在我们的人体模型开发中，委托方提供了一个1:1的石膏模型，要求构造CAD模型，并对手、脚、髋等部位的形状进行修改；模型的主要部位壁厚为5mm，身高172cm，误差均要求小于±0.5mm，左右严格对称；另外要为模型添加各个关节：肩、髋、膝、踝、肘关节均有特定的要求，最终提供10套样件，要求样件能模仿真实人体的大部分动作姿势，如站、走、坐等。

在对开发任务进行深入、细致地分析以后，我们确定了三维反求——CAD模型重构——CAD再设计——快速原型制作——快速模具制造的技术路线。

1.1 三维反求及曲面重构

从实物样件获取产品数学模型技术相关的技术，已发展为CAD/CAM中一个相对独立的范畴，称反求工程（Reverse Engineering）。目前大多数有关反求工程的研究都集中在几何形状，即重建产品实物的CAD模型方面，又称“三维反求”。它是模型再设计、快速原型制作和快速模具制造等后续步骤的基础。

三维反求主要包括两个步骤：对象数字化（Object digilization）和曲面重构。

1.1.1 对象数字化

对象数字化是利用相关的测量设备，根据产品模型测量得到空间拓扑离散点数据。测量设备可分为接触式和非接触式；非接触式测量速度快，可相当密集地对产品表面进行测量，形成所谓的“点云”数据，方法主要有光栅投影、激光扫描、光学三角形、三维视觉法工业CT(Computed Tomography计算机断层摄像)和逐层切削照相测量，使用最广泛的是光学三角形法和光栅投影法。

光学三角形法测量的基本原理[1]是利用具有规则几何形状的测量光源投影到被测表面上，形成漫反射光带，并成像于空间某位置的图象传感器，根据三角形原理测出被测表面某位置的空间坐标。

本案例中需要测量的人体模型尺寸较大，不需要测量内腔尺寸，且整体形状精度要求高，如脚与腿的相对位置就不得有扭曲现象。考虑到这些特点，测量时采用了德国GOM公司的ATOS测量仪，它使用可见光带。测量速度与Krcon公司的激光测头类似，可以超过10000点/秒，测量范围为500mm～10m。

图1 人体模型的测量点

对于大尺寸模型，通常需要多次测量，然后将得到的不同部位数据拼合获得整个模型的全部数据点信息。ATOS配有XL数码相机，用于扫描预先设置的定位点。在这些定位点信息获得后，待测模型在随后测量过程中就可以自由地翻转，但需要保证模型各部分相对位置不变，即形状不能改变。随后的扫描是依次进行的，相邻两次测量必须有三个或三个以上的共同的定标点都被测量到，通过这些共同定标点就可以将数据拼合，最后用预先获得的总体形状信息将所有数据归一化。

1.1.2 曲面重构

三维反求中，曲面重构有如下特点:①曲面型面数据散乱，且曲面对象边界和形状复杂，因而一般不便直接运用常规的曲面构造方法；②曲面对象通常不是由一张曲面构成，而是由多张曲面经过延伸、过渡、裁剪等混合而成，因而要分片构造；③在反求中为了保证数字化的完整性，相邻次测量数据之间还有一定的重叠，这就导致“多视拼合的问题” [2]（multiple view combination）。目前主要有2种曲面重构方法：一是以B-Spline或NURBS曲面为基础的曲面构造；二是以三角Bezier曲面为基础的曲面构造[3]。另外还有以多面体方式来描述曲面，三角面片（STL）模型最常用的一种。

大多数通用的CAD/CAM软件如Strim、 Unigraphics、Pro/Engineering、Cimatron等都提供反求模块，同时也有不少专门用来构造曲面的反求软件，如Delcam公司的CopyCAD、Imageware公司的Surface。专用的反求软件一般功能更强，主要体现在速度、适应性、可使用的曲面工具等方面。我们使用Delcam公司的系列产品中的专用反求模块CopyCAD进行人体模型的曲面重构，它针对不同的测量方法和不同的数据类型，提供了多种曲面构造方法，另外它可以直接利用点云构造STL模型，在STL模型基础上还可以进一步构造曲面模型，这样构造曲面也是分片进行的，不仅速度快，而且精度也高（依赖于构造STL模型时给定的误差）。

在CopyCAD中可以直接进入Delcam的另一模块PowerShape对所构造的曲面进行编辑和修改，我们重新构造了原模型的脚、手掌使之更接近于真实人体，另外还调整了肩、髋处的曲面，以便于后续的关节设计。重构后的人体曲面模型如图所示。

1.2 CAX及接口技术

CAX技术是CAD、CAE、CAPP、CAM等计算机辅助单元技术的总称，它是CIMS、敏捷制造、并行工程等先进制造模式的基础。

三维反求获得的曲面模型还不能直接用来进行功能设计，因为它是多张无厚度的曲面围成的，这些曲面间还可能有缝隙存在，故还需在CAX系统中作必要的处理，然后进行功能设计。

可用于CAD建模、装配检验、机构模拟的商业CAD/CAM软件很多，如PRO/E、UG、IDEAS、CATIA等等，当然各种软件还具有自己的特色，如PRO/E的完全特征化实体建模功能对于零件建模极为方便，但用于本案例的CAD设计时，通过IGES接口输入的曲面模型会被当作一个整体的外来特征，缝合、构造实体等都不容易进行。而在UG、IDEAS中输入IGES形式的曲面模型时，每片曲面都被完全转换为软件自身的曲面格式，后续处理要方便得多。我们使用UG进行模型的再设计，同时用PRO/E进行关节的各零件设计。

在UG中，按关节设计方案将曲面模型切成头、躯干、大臂、小臂、大腿、小腿、脚共11部分；对每一部分进行曲面加厚（5mm），使之成为实体零件，然后再为关节的装配设计安装接口；将PRO/E中设计好的关节零件调入，在UG的装配模块中将各关节零件安装于相应的实体零件上，构成人体模型的各组成部件；再将各部件组装成最终的人体CAD模型，将各可动部件转动到极限位置，进行干涉检查，检验零件的设计是否合理，此时可以随时返回建模模块修改各零件。委托方仅要求模型能够模仿真实人体的大部分运动姿态，并不要求模型运动，因此在装配中能正确地模仿各姿态以后，CAD设计就完成了。此时输出各零部件STL模型，供随后的快速成型使用。图3是模仿人体跑步时的一个姿态，图4是模仿人跳远时的一个姿态。如果有运动要求，还可以在UG的机构分析模块中定义关节处的各种运动副，定义各部件的运动函数，进行运动仿真。

图3人体CAD实体模型(跑姿) 图4人体CAD模型(跳姿, 线框显示)

在反求和CAD设计过程中需要使用各种不同的软件系统，因此软件之间的接口技术成为工作能否顺利进行的关键，甚至关系到工作的成败。

系统间接口分为专用接口和通用接口两类，前者是某软件系统为另一个特定的系统提供的转换接口，它效率高、出错率低，但仅能对一种系统起作用，而且往往作为单独的模块出售。另外，某一种系统一般不可能为其他所有系统都提供专用接口，因此在使用多个CAD/CAM系统系统工作时一般使用通用接口。

通用接口是一种作为中间数据交换格式的数据标准规范，目前常用的通用接口有IGES、SET、VDA、PDES和STEP等。应用最广泛的是IGES和STEP。几乎所有软件都提供IGES（初始图形交换规范）接口，它可以满足绝大多数几何信息转换要求，但数据文件大、转换时间长，某些几何类型转换不稳定。我们将DELCAM的曲面模型通过IGES格式转换到UG和PRO/E中都曾发现有部分曲面丢失或破损现象，需要进行修复处理。

STEP是基于集成的产品信息模型，是真正面向CIMS的产品数据定义和交换标准，理论上可以转换产品的所有信息，可用于各种场合，目前仍在发展中。我们的DELCAM系统未提供STEP接口，故使用IEGS进行人体曲面模型转换，而PRO/E与UG之间的模型转换均使用STEP接口进行。

1.3 快速原型制作及快速模具制造

完成CAD模型以后，就可以应用快速成型设备直接制作出各零件原型，根据零件的材料和批量，利用原型制造各种类型模具。

1.3.1 快速成型（Rapid Prototyping）技术

快速成型是80年代发展起来的新的成型方法，它基于材料添加原理，直接、快速地完成CAD模型到实物模型的制作。目前主要应用的有4种工艺，即立体光固化法（SLA）、分层物体制造(LOM)、熔积成型法(FDM)和选择烧结法（SLS）。

应用RP技术可以由CAD模型直接成型，省去各类复杂的工装准备，大大缩短产品开发周期，降低开发成本，尤其对传统方法难以加工的复杂曲面模型，优点更为突出。对于人体模型或装饰件等产品来说，一般对整体形状精度要求高，而局部的要求不算高，使用RP技术是非常合适的，此处使用西安交通大学研制的LPS-600光固化快速成型机进行原型制造，其精度为±0.1mm，允许最大零件尺寸为600×600(mm2)。制作人体模型时，除躯干部分需要从胸部分开，需两次成型外，其余组件均可一次成型。

关节零件使用的材料不同，而且配合精度要求高，但结构比较简单、规则，因此采用机械加工。

1.3.2 快速模具制造

复杂曲面类产品以冲压件和注塑件居多，需要先制造模具。传统的模具制造方法费用高、周期长，特别是对于单件、小批量的生产问题更加突出。快速模具制造技术利用硅胶等材料覆模、金属喷涂、翻制石墨电极模具等方法直接由零件原型制造模具。

采用何种方法取决于零件的材料和批量，硅胶软模一般用于100件以内的注塑零件，金属喷涂模用于千件以内的注塑件或某些冲压件，翻制的石墨电极模具在专用的石墨电极成形机（如西安交通大学开发成功的GET-500型整体石墨电极成型机）上加工整体石墨电极，用于钢模的电火花加工。考虑到委托方仅需要10套塑料模型，使用硅胶模具较为合适。翻制硅胶模具时要考虑硅胶收缩和注塑材料的收缩，因而最初进行CAD模型设计时需考虑收缩的影响。图5为人体的快速原型及头部硅胶模的下半模。在硅胶模中注入可自凝固的液态注塑材料，凝固后得到各零件，将关节零件安装到相应的注塑件上组成模型的各部件，组装这些部件即得人体模型。

（a）人体快速原型（b）头部硅胶模（下半模）
图5 快速原型及头部硅胶模

2、大型曲面类产品制造模式探讨

大型复杂曲面类产品的开发体现了多学科的综合应用，上述新技术简化了此开发过程，缩短了开发周期和降低开发成本。但由于开发过程涉及到多种技术，需要应用多种软件和硬件，不但对参与开发人员提出更高的要求，同时工作模式对开发进程的影响更大，因此探讨此类产品开发的工作模式是很必要的。

根据上述人体模型的开发这个典型案例以及多次类似产品的开发，作者认为大型复杂曲面类产品开发的工作过程有如下特点：（1）对任务的分析、规划应更加细致、详尽，方案的确定对全过程影响更大。在此阶段要分析各种可得到的软、硬件工具，针对任务的特点选择合适的软件，并充分考虑系统间接口；（2）开发工作应当引入并行工程的思想，在开始就考虑到各开发阶段的诸多因素[4]，包括质量、成本、进度、用户需求和跨领域的协调工作，其中尤其注意不同开发阶段的衔接与协调。（3）产品的数据模型在全过程居于核心地位，开发过程伴随较大规模的数据流动和数据转换，因此应当尽量依托Internet/Intranet来实现文件快速传输、数据共享、模型管理以及开发人员之间的工作协同。（4）由于文件种类繁多、涉及的数据量庞大，因此必须建立合理有效的文档管理和维护机制，有条件的可应用PDM来管理产品数据。

鉴于上述特点，作者认为复杂曲面类产品开发可以采用图6所示的工作模式。该工作模式的特征是以产品数据模型为核心，依托Internet/Intranet，合理、灵活地使用各类软件工具和接口标准，并行、协调地完成开发工作。本案例中人体模型依照该模式进行开发，前后共用3个月，即按委托方的要求完成了开发工作。

图6 复杂曲面类产品快速开发工作模式框图

3、结束语

通过对大型复杂曲面类产品开发的新技术的总结和工作模式的探索，本文论述了大型复杂曲面类产品快速开发的技术要点，总结了此类产品开发过程的4大特点，并给出了以网络技术为支撑、并行思想为指导的工作模式。依照该模式可以快速、有效地进行大型、复杂曲面类产品开发。

参考文献：
[1] 刘阳，唐罗生等.快速逆向工程及其在产品开发中的应用.机械设计与制造.1999(1)：26～28.
[2] Li J X, etal. Projection of arbitrary point to parametric besizer surface and its application in complex surface NC measuring analysis . The Chinese Joural of Machine Engineering(English edited).1997.10(10)：3.
[3] Ke Yinglin, Li Fengwang. Stud on reverse design engineer of complex surfaces products. CIRP International Symposium - Advanced Design and Manufacture in the Global Manufacturing Era.August.HongKong,1997:21～22.
[4] 宋玉银.机械产品集成化并行设计方法及应用研究[博士论文]，清华大学，1997.10：2～3. (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/20/2005)


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