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反求工程在汽车覆盖件模具设计与制造中的应用 |
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作者：谢斌 谢峰 何升立 |
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摘要：文章基于反求工程技术，在计算机网络和CAD/CAM集成技术的支持下，建立了模具CAD/CAM/DNC集成化制造环境。在建立模具全数字化三维模型的基础上，实施了模具设计与数控加工CAD/CAM/DNC一体化，并实例论述了模具CAD/CAM/DNC一体化的过程，从而可以大大缩短了新产品的开发周期，对快速响应市场产出显著效果。
关键词：逆向工程；CAD/CAM/DNC；数控加工
1 引言
随着计算机辅助几何设计的理论和技术的发展，以及CAD/CAE/CAM集成系统的开发和商业化，产品实物或模型首先通过扫描以及各种先进的数据处理手段获得产品的几何信息，然后充分利用CAD/CAM技术快速、准确地建立产品的数学集合模型，经过适当的工程分析和CAM编程，就可数控加工出产品模型，最后制成产品，实现从产品(样件)——再设计——产品(批量)的制造过程。这种实物测量反求技术广泛应用于产品改型，模具设计等生产活动中；特别是对于具有复杂曲面外形的产品，如汽车、摩托车的复杂外形，也是消化、吸收先进技术进而改造和开发各种新产品的重要手段，据此构成了反求工程的主要思想。
相对于传统的产品设计流程即所谓的正向工程而提出的。正向工 程是泛指按常规的从概念设计到具体模型再到成品的生产制造过程。而反求工程是从现有的模型(产品样件、实物模型等)经过一定的手段转化为概念和工程设计模型，如利用三维坐标测量机的测量数据对产品进行数学模型重构，或者直接将这些离散数据转化成NC程序进行数控加工而获取成品的过程。反求工程的设计流程如图1所示。
图1 反求工程设计流程
2 反求工程的系统及其过程
2.1 反求工程的系统组成
反求工程首先必须使用精密的测量系统将样品轮廓三维尺寸快速测量出来，然后再以取得的各点数据做曲面处理及加工成型。故建立一套完整的反求工程系统，需要有下列配备：
(1)测量探头
有接触式(触发探头、扫描探头)和非接触式(激光位移探头、激光干涉仪探头、线结构光及CCD扫描探头、面结构光及CCD扫描探头)两种。
(2)测量机
有三维坐标测量机、多轴专用机、多轴关节机械臂及激光追踪站等。
(3)点群数据处理软件
进行噪声滤除、细线化、曲线建构、曲面建构、曲面修改、内插值补点等。
(4)CAD/CAM软件
一般PC级或工作站级CAD/CAM。
(5)CNC工具机
执行原型制作或模具制作。
2.2 反求工程中的技术难题
要执行反求工程项目，需要对产品的特征和制作流程有充分地了解。许多产品是自由曲面组成，对模型上的凹槽、开口或其他特征须做精确的辨识，以完成模型的建构。如何将各点的数据正确无误的处理建构出有用的曲线、曲面，需要有经验丰富的工程师。此外，反求工程技术还包括测量技术上的难题。
逆向工程技术及应用涉及到下列问题：
(1)要准确及快速地将工件数据取得：
(2)要确实将数据建构成曲面及应用外形；
(3)要与各种CAD/CAM及CAE结合；
(4)要节省产品制造成本，提高产品竞争力。
2.3 反求工程的过程
反求工程过程一般分为5个阶段：
(1)零件原型的数字化，通常采用三维坐标测量机CMM(Coordinate Measuring Machine)或激光扫描等测量装置来获取零件原型表面的三维坐标值。
(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)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，并通过个表面的求交与拼接获取零件原型表面CAD模型。
(4)重建CAD模型的检验与修正，采用根据获取的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建CAD模型是否满足精度或其它试验性能指标的要求，对不满足要求的重复以上过程，直至达到零件的设计要求。
(5)在建立模具全数字化三维模型的基础上，实现模具型腔的数控加工。
3 基于CAD/CAM/DNC下的反求工程
采用先进的设计思想和设计手段，在计算机网络及CAD /CAM技术的支持下，可建立基于反求工程的模具CAD/CAM/DNC集成化环境，在建立模具全数字化三维的基础上，可以快速实现产品的再设计。
3.1 环境配置
硬件环境由3o台NT工作站，3台数控加工中心，1台三坐标测量机组成模具设计与数控加工环境局域网。利用NT工作站对模具进行三维实体(曲面)造型、模具装配模拟检查、实体加工仿真模拟、数控加工到位文件生成和NC后处理。3台CAM工作站用于对加工中心和数控机床的控制，以计算机直接数控(DNC)的方式控制机床的在线加工。
支撑软件采用美国PI'C公司的Pro/E2001，利用Pro/E2001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模型，然后进行加工切削仿真，检查加工中的过切现象和加工刀位的合理性，从而取代实际试切，降低成本，节约加工工时。
3.2 应用过程
在模具CAD/CAM/DNC一体化集成环境的支持下，进行复杂模具计算机辅助设计与数控加工(CAD/CAM/DNC)的基本过程如下：
(1)根据加工模具的结构形状及设计要求，利用Pm/E软件的三维造型(实体和曲面)设计建立完整、准确的模具三维实体(曲面)模型。
(2)在模具三维主摸型的基础上，利用Pm/E软件的加工模块拟定模具加工工艺(粗、精加工)，选择相应的加工参数及有关选向。
(3)生成模具数控加工的刀位文件。
(4)利用Pm/E软件进行数控加工的实体加工仿真模拟，检查刀位文件的合理性及有效性，以代替实际试切过程。
(5)根据具体加工机床进行刀位文件的后处理，生成该机床的数控加工指令(加工代码)。
(6)将模具的数控加工代码，采用DNC方式，控制数控机床(加工中心)的在线加工。
4 实例
由于汽车覆盖件大都是空间结构、形状复杂，从而决定了在冲压成形中的变形复杂性、变形规律不易掌握、出现的质量问题也比较多。模具设计中不能向轴对称零件那样可以较容易地计算出主要工艺参数，模具参数等· 。但是由于汽车覆盖件多数是一次拉深成形的，利用反求工程可以解决模具设计中的一系列的问题。下面以汽车覆盖件的模具设计为例，描述基于反求工程的模具CAD/CAM/DNC的一体化过程。
4.1 数据的测量与CAD造型
在模型表面数字化中，采用以3DFAMILY公司生产的LSH600激光扫描测量系统测量。采集模型表面或特征线的坐标值，把采集的数据存入计算机中 根据模型制造的需要，对测得模型进行噪声处理，多视图拼合，比例缩放、镜像、旋转、平移等处理，基于最小二乘法进行数据的光顺，压缩不必要的数据点一以减少后期计算量 。将处理后的3D点数据以QI TECH格式输出。为了满足Pro/E的数据格式，必须在文件开头加入Open arelength、Begin section以及每开始处加入Begin curve，生成Pro/E能够识别的.-hl数据格式。
Pro/e软件的Scantool模块有线的控制点移动(control y)、拟合(composite)、断裂(split)、组合(merge)、投影(projected)等功能，可去除特征曲线的坏点，并对特征曲线进行光顺处理，从而可以保证曲面的光顺性，生成如图2所示的车门外板零件图。
图2 车门外板 图3 凸模 图4 凹模
5 结束语
基于反求工程技术.在计算机网络和CAD/CAM集成技术的支持下，建立模具CAD/CAM/DNC集成化环境，不但缩短了模具的设计制造周期，而且大大地降低了模具的生产成本，保证了模具的加工质量，提高了数控设备利用率，实现了模具的快速制造。同时为进一步实施分散化网络制造奠定了坚实的基础。
[参考文献]
[I]李发致.模具先进制造技术[M].北京：机械工业出版社，2003
[2]许智钦.逆向工程技术[M].北京：中国计量出版社，2lD02
[3]嘉木工作室.Pm/E实体建模实例教程[M].北京：机械工业出版社，2003
[4]崔令江.汽车覆盖件冲压成形技术[M].北京：机械工业出版社。2003
[5]张国雄.三坐标测量机[M].天津：天津大学出版社，1999
[6]林清安.Pro/ENGINEER零件设计实务[M].北京：北京大学出版社，2000
作者简介：谢斌(1973一)，男，安徽亳州人，合肥工业大学机械汽车工程学院硕士研究生。(end)
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(5/30/2005) |
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