逆向工程技術在模具製造中的應用

tags: 模具製造    時間:2014-03-07 17:40:09
逆向工程技術在模具製造中的應用簡介
      一、逆向工程技術的內容及其應用範圍   隨著計算機技術的發展,CAD技術已成為產品設計人員進行研究開發的重要工具,其中的三……
逆向工程技術在模具製造中的應用正文

      一、逆向工程技術的內容及其應用範圍

隨著計算機技術的發展,CAD技術已成為產品設計人員進行研究開發的重要工具,其中的三維造型技術已被製造業廣泛應用於產品及模具設計、方案評審、自動化加工製造及管理維護各個方面。在實際開發製造過程中,設計人員接收的技術資料可能是各種數據類型的三維模型,但很多時候,卻是從上游廠家得到產品的實物模型。設計人員需要通過一定的途徑,將這些實物信息轉化為CAD模型,這就應用到了逆向工程技術(Reverse Engineering)。


所謂逆向工程技術,是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量,根據測量數據通過三維幾何建模方法重構實物的CAD模型的過程。


逆向工程技術與傳統的正向設計存在很大差別。逆向工程是從產品原型出發,進而獲取產品的三維數字模型,使得能夠進一步利用CAD/ACE/CAM以及CIMS等先進技術對其進行處理。與傳統設計方法的不同之處在於設計的起點不同,相應的設計自由度和設計要求也不相同。


一般來說,產品逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等幾個方面,在工業領域的實際應用中,主要包括以下幾個內容:


(1)新零件的設計,主要用於產品的改型或彷型設計。


(2)已有零件的複製,再現原產品的設計意圖。


(3)損壞或磨損零件的還原。


(4)數字化模型的檢測,例如檢驗產品的變形分析、焊接質量等,以及進行模型的比較。


逆向工程技術為快速設計和製造提供了很好的技術支持,它已經成為製造業信息傳遞的重要而簡潔途徑之一。


二、逆向工程技術實施的條件


1.逆向工程技術實施的硬體條件


在逆向工程技術設計時,需要從設計對象中提取三維數據信息。檢測設備的發展為產品三維信息的獲取提供了硬體條件。目前,國內廠家使用較多的有英國、義大利、德國、日本等國家生產的三坐標測量機和三維掃描儀。就測頭結構原理來說,可分為接觸式和非接觸式兩種,其中,接觸式測頭又可分為硬測頭和軟測頭兩種,這種測頭與被測頭物體直接接觸,獲取數據信息。非接觸式測頭則是應用光學及激光的原理進行的。近幾年來,掃描設備有了很大發展。例如,英國雷尼紹公司的CYCLON2高速掃描儀,可實現激光測頭和接觸式掃描頭的互換,激光測頭的掃描精度達0.05mm,接觸式掃描測頭精度可達0.02mm。可對易碎、易變形的形體及精細花紋進行掃描。德國GOM公司的ATOS掃描儀在測量時,可隨意繞被測物體進行移動,利用光帶經數據影象處理器得到實物表面數據,掃描範圍可達8m×8m。ATOS掃描不僅適於複雜輪廓的掃描,而且可用於汽車、摩托車內外飾件的造型工作。此外,日本羅蘭公司的PIX-30網點接觸式掃描儀,英國泰勒·霍普森公司的TALYSCAN 150多感測掃描儀等,集中體現了檢測設備的高速化、廉價化和功能複合化等特點。為實現從實物——建立數學模型——CAD/CAE/CAM一體化提供了良好的硬體條件。

不同的測量對象和測量目的,決定了測量過程和測量方法的不同。在實際三坐標測量時,應該根據測量對象的特點以及設計工作的要求確定合適的掃描方法並選擇相應的掃描設備。例如,材質為硬質且形狀較為簡單、容易定位的物體,應盡量使用接觸式掃描儀。這種掃描儀成本較低,設備損耗費相對較少,且可以輸出掃描形式,便於掃描數據的進一步處理。但在對橡膠、油泥、人體頭像或超薄形物體進行掃描時,則需要採用非接觸式測量方法,它的特點是速度快,工作距離遠,無材質要求,但設備成本較高。

2.逆向工程技術實施的軟體條件


目前比較常用的通用逆向工程軟體有Surfacer、Delcam、Cimatron以及Strim。具體應用的反向工程系統主要有以下幾個:Evans開發的針對機械零件識別的逆向工程系統;Dvorak開發的仿製舊零件的逆向工程系統;H.H.Danz de CNC CMM系統。這些系統對逆向設計中的實際問題進行處理,極大地方便了設計人員。此外,一些大型CAD軟體也逐漸為逆向工程提供了設計模塊。例如Pro/E的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模塊,可以接受有序點(測量線),也可以接受點雲數據。其它的象UG軟體,隨著版本的提高,逆向工程模塊也逐漸豐富起來。這些軟體的發展為逆向工程的實施提供了軟體條件。


三、逆向工程設計前的準備工作


做一個逆向設計的工作,可能比做一個正向設計更具有挑戰性。在設計一個產品之前,首先必須盡量理解原有模型的設計思想,在此基礎上還可能要修復或克服原有模型上存在的缺陷。從某種意義上看,逆向設計也是一個重新設計的過程。在開始進行一個逆向設計前,應該對零件進行仔細分析,主要考慮以下一些要點:


(1)確定設計的整體思路,對自己手中的設計模型進行系統地分析。面對大批量、無序的點雲數據,初次接觸的設計人員會感覺到無從下手。這是應首先要周全地考慮好先做什麼,后做什麼,用什麼方法做,主要是將模型劃分為幾個特徵區,得出設計的整體思路,並找到設計的難點,基本做到心中有數。


(2)確定模


四、逆向工程工作中應該注意的問題


在實際設計中,目前存在的這些軟體還存在著其較大的局限性。在機械設計領域中,集中表現為軟體智能化低;點雲數據的處理方面功能弱;建模過程主要依靠人工干預,設計精度不夠高;集成化程度低等問題。例如,Surfacer軟體在讀取點雲等數據時,系統工作速度較快,並且能較容易地進行點線的擬合。但通過Surfacer進行面的擬合時,軟體所提供的工具及面的質量卻不如其它的CAD軟體如Pro/E、UG等。在很多時候,在Surfacer里做成的面,還需要到UG等軟體中修改。但是,使用Pro/E、UG等軟體讀取點雲數據時,卻會造成數據龐大的問題,對它們來說,一次讀取如此多的點是比較困難的。

在具體工程設計中,一般採用幾種軟體配套使用、取長補短的方式。例如上海交通大學模具技術研究所承接的逆向工程項目,採用了Surfacer與UG和Pro/E功能結合的方法,在具體操作中,使用Surfacer進行點、線處理,得到基本控制曲線,然後使用UG和Pro/E引入控制線的數據,進行曲面造型。其中,Pro/E應用的模塊主要有ICEM Surf、Pro/DESIGNER(CDRS)等,UG使用的模塊主要是UG/Modeling和UG/Surface模塊。這幾個設計模塊都是一般CAD設計時常用到的。

值得注意的是,在設計過程中,並不是所有的點都是要選取的,因此,在確定基本曲面的控制曲線時,需要找出哪些點或線是可用的,哪些點或線是一些細化特徵的,需要在以後的設計中用到,而不是在總體設計中就體現出來的。事實上,一些圓柱、凸台等特徵是在整體輪廓確定之後,測量實體模型並結合掃描數據生成的。同時應盡量選擇一些掃描質量比較好的點或線,對其進行擬合。


五、曲線曲面的光順處理


由於測量過程中測得的是離散點數據,缺乏必要的特徵信息,往往存在數字化誤差,需要對曲面和曲線進行光順。光順是一個工程上的概念,包括光滑和順眼兩方面的含義。光滑是指空間曲線和曲面的連續階,數學上一階倒數連續的曲線即為光滑的曲線;而順眼是人的主觀感覺評價。對於平面曲線,光順需要滿足以下幾點:曲線C2連續;沒有多餘拐點;曲率變化均勻。在逆向設計中,曲線的光順性調節是非常重要的。掃描或擬合得到的曲線一般很難保證其光順,為了構造出一條光順的插值曲線,需要修正原形值點序列,利用軟體的相關功能模塊進行調節。目前採用的曲線光順方法主要是能量法和圓率法。設計的準則是曲線上曲率極值點儘可能少些;相鄰兩個極值點之間的曲率儘可能接近線性變化。


曲面的光順往往歸結為網格的光順。所謂網格的光順,其含義是指網格的每一條曲線都是光順的,光順的曲面,應該是沒有凸區和凹區的。在數學上,判斷曲面是否滿足上述條件的依據是高斯曲率。在一般CAD軟體中,可以到分析模塊中使用高斯曲率法對曲面進行分析。當曲面曲率變化比較均勻時,即可為達到設計要求。若曲面質量很差,需要對構成的曲線進行重新調整,直至曲面讓人滿意為止。


逆向工程既要保證曲面質量,又要保證設計精度。除了對原始型值點進行光順之外,有時還要控制修改後的型值點同原始型值點的坐標偏差,該偏差不應太大,以保證設計部門給出的指標不致受太大的影響。


六、結束語


逆向工程是一項開拓性、實用性和綜合性很強的技術,逆向工程技術已經廣泛應用到新產品的開發、舊零件的還原以及產品的檢測中,它不僅消化和吸收實物原型,並且能修改再設計以製造出新的產品。但同時設計過程中系統集成化程度比較低,人工干預的比重大,將來有望形成集成化逆向工程系統,以軟體的智能化來代替人工干預的不足。

型的基本構成形狀的曲面類型,這關係到相應設計軟體的選擇和軟體模塊的確定。對於自由曲面,例如汽車、摩托車的外覆蓋件和內飾件等,一般需要採用具有方便調整曲線和曲面的模塊;對於初等解析曲面件,如平面、圓柱面、圓錐面等則沒必要因為有測量數據而用自由曲面去擬合一張顯然是平面或圓柱面的曲面。

 

 

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