摩托车大梁冲压模具逆向设计与制造

作者：重庆工学院 张鹏 刘飞 詹捷

欢迎访问e展厅 展厅 3 冲压模具/锻压/冷镦模具展厅 冲压模, 级进模, 拉深冲裁模, 冷冲模, 冲床模具, ... 摘要：以摩托车大梁冲压模具为例，阐述了模具CAD/CAM逆向工程的流程和关键技术，总结了逆向工程CAD/CAM数字化和数据处理系统的方法，从而说明了该技术是CAD/CAM重要组成部分。 关键词：CAD/CAM；逆向工程；数字化；模具；摩托车大梁 1 前言 随着目前摩托车行业产品开发周期的缩短，以实物模型为设计依据的逆向工程技术，作为摩托车三维设计制造系统的一个有机补充部分，在摩托车新品开发及改型中应运而生。作为一个集成的CAD/CAM逆向系统，它包括数字化系统、CAD数据处理系统和模具设计加工系统(图1，其中点划线包含部分为CAD/CAM逆向系统)。数字化技术主要是正确应用扫描工具，获取高质量的样件表面扫描点；据处理系统包括曲面重构、曲面分析；模具设计加工系统包括模具设计、模具CAM和模具的数控加工。 2　数字化方法 产品数字化是CAD/CAM逆向工程的关键技术之一。近十年来，随着传感技术、控制技术、图像处理和计算机视觉等相关技术的发展，出现了各种各样的样件表面几何数据的数字化获取方法。逆向工程采用的测量方法主要有4类，如图2所示。 第1类是传统的接触测量方法。测头与实物表面接触，通过规定扫描方式测量数据，如三坐标测量(CMM)和数控机床加上测头的扫描设备等。其中CMM是使用最广泛的接触式测量设备，它具有精度高、重复性好等优点，缺点是速度慢、效率低、不适于柔软实物的测量。 第2类是非接触测量方法。随着计算机及光电技术的发展，以计算机图像处理为主要手段的非接触式测量技术正在迅速发展，它们利用声、光、电磁等能与物体表面发生相互作用的物理现象来获取其三维信息，其中光学方法应用最为广泛。光学方法虽然对陡壁和透光模型数据采集困难，而且价格昂贵，但测量效率非常高，采集的数据就是实际的表面坐标值，不需要三维补偿。目前，应用较多的是结构光投影测量法，它被认为是三维形状测量中最好的方法。其原理是将具有一定模式的光源，如不同间距的栅状光条投射到物体表面，通过光带间距的变化以及数码影像处理器分析，在数秒内便可得到实物像素的三维坐标，实现三维扫描高速化。大型物体可以分块扫描并拼接在一起。由于重量轻、体积小，可实现异地测量。如德国GOM公司的ATOS可以在1分钟内完成一幅包括4300()点的图像测量，精度可达0.03mm。不但可以用于尖角、凹槽、复杂轮廓及软质件的测量，而且可用于汽车、摩托车外饰件和大型模具的设计制造。 第3类是逐层扫描测量法。如工业CT法、核磁共振法(MRI)、自动断层扫描法等。它们解决两类存在的遮挡问题，实现了对被测物体内部结构的无损测量。不过目前能达到的测量精度还很低，一般在O.1mm的数量级，而且设备价格极其昂贵。但由于其优点突出.相信不久会得到广泛的应用。 第4类是逐层切除测量法这是一种破坏性的、与逐层累加相反的方法，采用铣削的方法将目标物体一层一层地铣开，摄取每个断层图像，不同高度的图像集合就组成了物体的三维整体轮廓。该方法的主要问题是速度较慢，而且对被测物体是破坏性的。但取得的数据精度高，在很多情况下也有应用。 以上4类方法都有各自的特点和应用范围。可以说，到现在为止，还没有一种完全适用于快速设计造型技术的快速、精确的数字化测量方法，只能根据具体情况分析选用。 3　逆向CAD/CAM数据处理系统 CAD/CAM逆向工程的另一个关键技术是对采集数据的处理和NC加工程序处理系统。作为产品开发制造的重要部分，它必须与主流三维设计系统完全集成，这样，逆向设计才能溶人整个产品开发流程中，不至于成为又一个“孤岛"。该系统主要有两种处理方式； 3.1　数字化/数据处理/NC集成系统 这个系统集成了扫描和NC程序的生成，如英国Renishaw公司的Tracecut系统和法国的Lemoine系统等这些系统采取接触扫描方法，通常并不进行曲面重建，只是对扫描的数据进行缩放、镜像、平移、旋转、偏置及凹凸转换等，并可将几个模型组合，进行剪切、叠加等操作。 该系统虽然不进行曲面重建，但NC加工程序的生成非常方便，加工方式由使用者定义，可采用相同或不同的扫描方式进行加工。也就是说，刀具路线、刀具尺寸、加工间距、加工速度、加工精度等并不取决于扫描参数：系统可粗加工编程，也可实现精加工编程。 该系统的缺点是精度较低，加工方法较单一，无法实现计算机辅助分析和产品资料积累，产品稍稍变化必须重新扫描和处理。但由于系统灵活、系统集成好，扫描与加工一体化，尤其是不需要曲面重构，从而大大节约了时间，适宜精度要求不高的中小型产品，目前在日用生活品的设计制造中应用日益广泛。 3.2　曲面重建CAD/CAM系统 产品曲面重建是根据扫描的产品空间离散点数据，应用计算机辅助几何设计的有关技术，建立产品的数字化CAD模型。其基本要求是保型性和快捷胜。保型性即重构后的曲面必须保证与实际零件的数据在误差范围内吻合；快捷性是曲面重构方便、快捷。该方法功能强大，除能实现第一种方法所有功能外，还能完成产品设计和改型产品分析、装配和加工等。缺点是曲面重建需要大量的时间。 在曲面重建中，目前主要采用SURFACE软件进行测量数据分割，并获得拟合的曲线，然后在UG中利用曲面和曲面分析来构建三维曲面，最后生成三维产品，进而设计模具。之后，利用CAD/CAM的分析模块分析产品成形过程，并修改模具，最后利用CAM模块确定加工方法，并模拟加工，通过后置处理，生成NC程序，控制数控机床进行加工。 4　摩托车大梁冲压模具逆向设计与制造 下面以某型号摩托车大梁产品为例介绍逆向工程的应用。先通过ATOS扫描设备获得产品的空间点，再通过SUR-FACE软件获得参数曲线，最后在UG中利用曲面和曲面分析来构建三维曲面。 在曲面重建过程中，通常对于含有自由曲面的复杂型面，用一张曲面来拟合所有的数据点是不可行的。一般首先按照原形所具有的特征将零件进行分析，将测量数据点分割成不同的区域，不同的区域又分为主曲面和过渡曲面。对于主曲面区域，分别拟合出不同的主曲面，然后应用曲面求交或曲面间过渡的方法构建过渡曲面并与测量点比较，最终将不同的曲面连接起来构成一个体准确的产品特征分解和分析、主曲面和过渡曲面的判断是构建一个合理有效的曲面的关键。只有根据合理的分析，借助有效的三维测量数据分割和拟合、曲面的构建理论和分析技术，才能获得合理而正确的结果。通常在曲面重构时，按由点到线、由线到面的顺序，先建立主曲面，然后建立过渡曲面。直接由点构建曲面或希望用一个曲面来拟合曲面通常是不能成功的。 产品的三维模型只做出了零件实体部分的形状，对于成形模具的型面和方向必须根据冲模要求进行补充和处理例如，对需要冲孔的区域进行填充；为拉深工序件添加设计必要的工艺补充；为防止起皱进行压料面和压料筋的设计补充等此外，零件的冲压方向也必须T-以考虑经过以上处理，最终获得合理正确的工艺主模型型面(图5)。 在获得产品的工艺主模型后，利用模具设计软件，模具的上下模就容易获得了。通常型面必须采用数控机床加工，其NC加工程序的编制是关键。在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件的安装位置、与刀具相对运动的尺寸参数、零件加工的工艺路线或加工顺序、工艺参数以及辅助操作等加工信息，用标准的数控代码，按规定的方法和格式编写成加工程序单，并将程序单的信息输入到数控装置，来控制机床进行自动加工一采用UG软件讲行编程.在其CAM模块中指定加工刀具、加工路径规划、切削用量等，生成模具的数控加r一轨迹数控加工过程中要避免使机床发生碰撞，并避免产过切或错误的刀具轨迹，为此必须进行刀位验记三，来判断刀具轨迹是否连续，进退刀、走刀路线是否合理，等等最后，采用真实感图形显示技术.把加仁过程动态显示出来。如果验证无误，便可通过后置处理获得数控程序代码，输人机床正式进行加工。图8为凸模精加工的加工轨迹的动态模拟。 4　结论 随着目前产品开发周期的缩短，以实物为设计依据的逆向工程技术，已成为二维设计系统的一个有机补充部分。实践证明，逆向工程结合CAD/CAM技术和NC机床设计制造模具，可大大提高加工周期。(end)

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