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1引言

傳統的設計過程是通過對客戶的需求進行分析后,構建出產品的CAD模型,再經過模具的設計、評審到CAM加工,最終制造出產品。逆向工程是基于精密的測量手段對產品實物模型進行3D數字化測量,依據測量數據通過三維幾何建模的方法將實物模型轉換為工程設計模型,并在原有基礎上對實物進行優化和再設計的過程。

目前,中國汽車工業模具生產企業在生產技術及模具軟件應用水平上同發達國家相比仍存在較大的差距,尤其是在設計水平、加工精度及成品檢測等方面。因此中國企業每年投入巨大。為了有效解決這個問題,逆向工程在汽車工業中已得到了廣泛的應用,尤其是在汽車內飾件產品及覆蓋件模具設計方面。這類產品形狀較為復雜,多為空間曲面;成品的壁厚較薄,受力易產生變形;產品的表面質量要求高等?；谝陨咸攸c,傳統的模具設計方法在開發這類產品時十分困難。采用逆向工程技術可以有效解決這些問題,同時省時省力,設計出的產品表面精度高,而且大大縮短了模具的開發周期,極大地滿足了客戶需求。

2基于逆向工程的模具設計流程

圖1為實物模具設計的逆向工程流程圖,主要步驟有:實物模型數據采集、采集數據處理、曲面及CAD模型重構、CAE分析及模具設計。

2.1實物數據的測量采集

根據測量探頭是否和零件表面接觸,實物模型的數據測量一般采用機械式接觸或激光掃描非接觸兩種測量方式來獲取實物表面點的三維數據。這兩種測量方法都有各自的特點和應用范圍,具體選用何種測量方法應根據被測物體的形體特征和應用目的來決定。

接觸式測量中,應用最為廣泛的測量設備是機械式三坐標測量機,機械式三坐標測量機適用于一些簡單型面的數據采集,得到的是有序點數據,“點云”數據重復性好,但測量速度慢、效率較低;非接觸式測量方法中,目前在工業應用中最成熟的三維形狀測量設備是激光掃描三坐標測量機,激光掃描三坐標測量機則適用于一些復雜曲面的數據采集,能夠得到大量無序的“點云”數據,測量速度快、測量范圍廣,但在測量精度方面低于機械式三坐標測量機。

2.2數據處理

測量得到的“點云”數據里面包含大量的冗余無效數據,這些數據嚴重影響曲面的重構,因此測量得到的數據需要進行數據處理,包括異常點去除,測量噪聲處理、數據分割以及多視圖拼合,精化“點云數據,去除無效的數據點和提高曲面重構的精度。

同一曲面的掃描數據中,如果一個點與相鄰的點存在偏距較大的現象,那么可以認定這個點是“異常點”,異常點去除就是消除這些點的過程;為了得到光滑的曲面模型,需要對測量數據進行數據平滑處理以消除測量噪聲;產品形面通常是由很多張不同的曲面混合而成,需要對不同的曲面進行邊界檢測,提取出曲面特征線,然后根據不同曲面的特征線將形面分成多張曲面分別進行擬合,最后再拼接在一起;對實物模型進行測量時,通常不能在同一坐標系下將所需要的所有數據測量完畢,多視圖數據拼合就是將這些在不同坐標系下的多視圖數據統一到同一個坐標系中。

2.3曲面及CAD模型的重構

曲面重構方面的研究在逆向工程以及相關領域內是相當活躍的,參數曲面在跨界連續性、曲面約束及局部控制方面都具有良好的表現形式,因此也被普遍應用于曲面擬合中。根據“點云”的空間拓撲形式將參數曲面重構方法分為兩種形式:矩形域曲面重構和三角域曲面重構。

實物模型CAD模型的重建,是在逆向工程軟件中將分割后曲面的三維數據分別做各曲面模型的擬合,通過拼合各曲面模型來獲取實物樣件表面的曲面模型,進一步獲得實物樣件的實體模型。

在各分割曲面模型的擬合過程中,需清楚構成實物模型的各分割曲面的品質要求及表面類型,正確理解實物模型作者的原設計意圖,最終決定建模軟件及模塊的選用。

3逆向工程應用實例

本文通過運用ATOS設備以某型號轎車車身件為例具體說明逆向工程在汽車工業模具設計中的應用。

3.1“點云”數據的采集

數據測量采用德國GOM公司研發的ATOS光學測量系統,測量前系統首先要進行調零處理,并且在模型的表面涂抹反差劑,然后再將模型固定在轉臺上。在不同位置對模型進行掃描測量,這樣將得到多張點云數據。模型是在一次定位的情況下進行多次測量的,這樣保證了測量系統通過計算就可將所有的點云數據統一到同一坐標系下,然后將完整的點云數據加載到CATIA軟件中打開。點云采集見圖2。

3.2數據處理

首先在CATIA軟件中,使用刪除和濾除的功能去除多余噪點。然后將濾除處理后的點云進行網格鋪面及網格面修補。通過調節“Neighborhood”參數來確定網格面的大小,此參數為一個圓球半徑,在點云中只要有3個點在此半徑范圍內,CATIA就會建立一個以此3點為頂點的三角網格面。三角網格面中將存在破洞,破洞通過“網格面修補”(FillHoles)命令進行修補。這樣點云就鋪設成了“網格面”,是由成千上萬個大小不等的三角面構成的。鋪面完成后,進入QSR模塊工作臺,將邊界交線轉化為特征曲線。

3.3曲面及CAD模型的重構

曲面重構是逆向工程的關鍵控制因素,曲面重建的質量將直接影響到后續的模具設計。CATIA軟件的建面功能沒有其他的CAD軟件功能強大,所以通常在CATIA里擬合的曲面,還需要在其他專業的CAD軟件下進行修改。本文采用CATIA與Pro/E相結合的方法,首先將“點云”數據在CATIA里擬合成曲線,然后將控制線數據引入到Pro/E中,將曲線構建成曲面。各部分分割的“點云”分別進行上述步驟的處理后,然后在Pro/E中拼合得到最終的CAD模型。產品的3D模型如圖3所示。

3.4CAE分析及模具設計

獲得CAD模型后,最好加工出一個快速原型件來檢驗重建的CAD模型是否滿足實用要求。為確保后期成型的可靠性,應該利用CAE分析軟件進行模具的成型過程分析。成型CAE分析的結果為模具設計和制造提供可靠、優化的參考數據,其中主要包括澆注系統的平衡,澆口的數量、位置和大小,模腔內溫度和壓力的變化等。本文利用Moldflow軟件對成型過程進行分析,找出最佳注塑位置以及壓力變化的規律。

4結語

逆向工程技術是用實物測量進行快速反求建模,再結合CAD/CAM、快速成型技術實現實物樣件的快速建模與制造,在與模具相關的制造業中有重大應用價值。將逆向工程技術應用于汽車工業模具設計,在縮短了模具開發周期的同時,大大降低了模具的研發成本,保證了產品的精度要求,實現了模具快速制造。但與CAD/CAM技術在汽車工業模具行業的廣泛應用相比,逆向工程技術應用還不夠完善,缺乏必要的技術指導及適合的軟件產品。但逆向工程技術的應用前景已經為汽車行業的工程技術人員所關注,它將為提高我國汽車模具制造行業的整體技術含量,進而提高產品的市場競爭力起到重要推動作用。