毕业论文1
毕业论文（设计）
题目：基于逆向工程的注塑模设计与制造
姓名：韦宇阳
学号：D3200823004 专业：模具设计与制造
班级：08模具1班
指导教师：陆焕海
目录
基于逆向工程的注塑模设计与制造摘要
引言
1 逆向工程的结构体系
1.1 数据采集
1．2数据处理
1.3 模型重建
2 塑料水壶模具的数字化设计与制造
2．1水壶原型的数据采集
2．2 数据处理
2．3水壶原型的重建
2．4模具零件的生成
2．5模具零件NC程序的生成
3 结论
参考文献
结束语
基于逆向工程的注塑模设计与制造
摘要：将逆向工程技术应用到塑料水壶模具的设计与制造中，通过采用PIX-30三坐标测量仪采集数据，利用UG软件进行数据处理、模型重建、模具设计及自动编程，从而实现注塑模的快速设计与制造。
关键词：逆向工程；UG；注塑模；快速设计；快速制造
引言
在塑料产品的开发过程中，几何造型技术已使用得相当广泛。但由于种种原因，模具企业从厂商接受的技术资料往往并非CAD的模型，而是由复杂的自由曲线曲面组成的实物样件，若采用传统的方法设计制造产品，生产周期长，成本高，无法应对瞬息万变的塑料品市场，而逆向工程(Reverse Engineering)为解决这一难题提供了便利。因此逆向工程作为一门新兴学科越来越受到人们的关注和重视。传统的设计方法是以功能为基础，通过方案设计、图样设计及产品制造、装配，以获取产品实物作为最终目的，而逆向工程设计是针对现有工件，尤其是复杂不规则的自由曲面，利用3D数字化测量仪，准确、快速地测量出轮廓坐标值，并构建曲面，经编辑、修改后，转至一般的CAD／CAM系统，将原有的实物或影像转化为计算机上的三维数字化模型，再由CAM产生刀具的NC加工路径并传送至CNC机床，
制作所需模具，或者生成STL文件，用快速原型技术( RP) 将样品模型制作出来。
根据样品的三维数字化模型，可以反复修改模具型面，并自动生成NC加工程序，从而大大提高模具生产效率，降低模具制造成本。逆向工程技术在我国，特别是在注塑行业有着十分广阔的应用前景。
1 逆向工程的结构体系
目前逆向工程的工作流程如图1所示，主要由三部分组成：产品实物外形的数字化、CAD模型重建、产品或模具制造。逆向工程的关键技术是数据采集、数据处理和模型的重建。
逆向工程的流程图
1.1 数据采集
数据采集是逆向工程的第一步，其方法正确与否直接影响实物的二维、三维几何数据，影响到重建的CAD实体模型的质量，并最终影响产品的质量。
逆向工程中的测量方法大体分为接触式与非接触式两类。目前，
实现逆向工程的主要测量设备是坐标测量机和激光扫描仪。从测量方式来看，前者属于接触式测量，后者属于非接触式测量。一般来说，测量中进行数据采集的常用方法有以下几种。
随机采集法:使用坐标测量机对表面进行随机采集。通过响应表面构造来确定响应和多个收敛变量之间的关系。
网格采集法:通过事先确定好的网格图，沿着网格路径测量表面网格接点值。这种方法非常适合于Bezier和B样条这样一些拟合曲面。
Hamersley点法:Woo提出了一种使用Hamersley点来控制测量平均表面粗糙度的方法，用根均平方差比较测量结果，所需要的测量点与均匀分布的测量点相比，在数量上成平方减少的关系。
故障函数法:Moloch提出的方法是利用一个故障函数来确定二维和三维测量位置。误差函数应预测所需要的测量点，这样就能够减少需要精确重构表面的点数。其缺点是故障函数难以确定，通常用表面曲率来作为故障函数。
随着计算机和CAD技术的迅速发展，以测量技术为基础、曲面重构技术为支撑的逆向工程在汽车工业的产品开发中得到了广泛的应用．逆向工程又称反求工程，主要包含2项内容：一是实物模型的数据采集；二是数字模型的建立…．数据采集是逆向工程的首要环节，是反求建模的理论依据．采集数据的精度和速度直接影响产品的质量和开发效率等．准确、快速、完备地获得产品的三维几何数据，是逆向工程的一项关键技术．数据采集技术随着逆向工程的广泛应用不断
发展，从最初的接触式测量，发展到光学、磁学等非接触式测量，直到新近开发的组合测量等．如今用于数据采集的测量机种类繁多、测量精度、测量速度各不相同．因此，对于不同类型的实体及数据采集的不同阶段选用测量机都应做到有的放矢，合理利用资源，以利用最低成本实现最优目标点采集。
1．2数据处理
对于获取的一系列点云数据在进行CAD模型重建前，必须进行格式的转换、噪声滤除、平滑、对探测头半径补偿等处理。
逆向工程数据处理的关键是利用平滑滤波函数来减少数据量，剔除疵点，减少噪声，起平滑作用。对数据滤波，已有几种方法:程序判断滤波、N点平均滤波以及采用预测递推识辩与卡尔曼滤波相结合的自适应滤波算法等。这些方法在滤除干扰信号和随机误差方面取得了较好的进展。最终实现用某种特定的数学形式唯一地表达出这个三维曲面，以便用丰富的CAD/CAM工程软件进行产品的设计工作。
1.3 模型重建
将处理过的测量数据导入CAD系统，依据前面创建的曲线、曲面构建实物的三维数字化原型。
逆向工程中的模型重建是以离散点云为基础，应用相关软件获取实物的三维CAD模型。为了适应逆向工程技术的发展需求，专用的逆向工程软件相继面市，具有代表性的有SDRC公司的Image Ware Surface、Perform公司的Perform 、DELCAM 公司的Copy CAD 等。一些CAD/CAM软件也集成了逆向工程模块，如Pro/Engineer
的SCAN-TOOLS模块、UGⅡ的点云处理和曲线、曲面拟合功能等。虽然专用逆向工程软件取得了较大的发展，但在实际应用中还存在一定的局限。例如Surface软件在处理点云数据、线面拟合方面有其特色，但是提供的曲面造型手段及辅助功能和功能完备的商用CAD/CAM软件相比还有不小差距。而对于传统的CAD/CAM软件来说处理庞大的点云数据也是非常困难的。因此，选用 Surface和CATIA相结合的方式，充分利用软件的优势，创建实物的CAD模型。
2 塑料水壶模具的数字化设计与制造
2．1水壶原型的数据采集
使用PIX-30三坐标测量仪扫描测量，得到点云数据。首先将水壶固定在扫描平台上，调整扫描探头的扫描区域，使扫描区域正好包含水壶的最大尺寸。然后进行自动测量，测量中点与点间距及扫描线与扫描线间距均可自由设定。测量数据以STL格式保存，便于以后用UG软件打开。图2为水壶样品的三维扫描点云数据
下面是引用佳工机电网的水壶样品的三维扫描点云数据图：
2．2 数据处理
由于三坐标测量仪的测量放法，误差处理方式及周围环境等因素的影响，使采集到的点云数据不可避免地受到噪音的污染，同时在凹陷区肯定会产生测量盲区，所以，在反求模型之前必须对数据进行编辑。删除不需要的点数据，过滤噪声，减少点数据数目，在曲面的变化缓慢的地方取点密度较稀疏，在曲率变化较大部分要密集取点。对于采点盲区，可以采用填充命令进行修补。首先对原始点云进行去噪平滑处理，这样修补后的模型整体光顺性可得到进一步提高。
2．3水壶原型的重建
在UG系统中，曲面是一种泛称，片体和实体的自由表面都可称为曲面。UG曲面的数学性质为B曲面，也就是NURBS( 非均匀有理B样条) 曲面。B曲面由若干曲面片( 补片) 构成，其参数曲线是
多段样条；单补片曲面是贝塞尔曲面，其参数曲线是单段样条，贝塞尔曲面是B曲面的特例。UG系统具有强大的曲面建模功能，在设计时，由点云数据先构造曲线，再由曲线构造曲面。创建自由曲线，主要使用splint(样条曲线)命令。在UG中运行Insert Curve Splint菜单命令，出现splint对话框。可在对话框中选择By poles、Through Points、Fit及Perpendicular to Planes四种方式创建曲线。并可在后续步骤中进行控制曲线阶次与段数、曲线的分析显示、指定斜率和指定曲率等操作。
一般地，为了提高最后的曲面质量，曲线的形状要达到以下要求：没有尖点、曲率变化均匀平滑、曲线上的控制点数量尽可能少。同时要保证曲线的整体特性，如凹凸性和光顺性等。利用预先构造的曲线作为输入数据创建曲面是构造曲面的主要放法。主要命令为：Insert ／Free From feature子菜单下的通过曲线创建片体( Through Curves)、通过曲线网格创建片体( Through Curve Mesh) 、通过曲线扫描创建片体(Sweep) 等。图3显示了水壶的线框模型
下面是引用佳工机电网的水壶的线框模型：
建立片体不是UG建模的目的，最终的目的是要建立实体模型。UG中可通过缝合、补片体、修剪实体、加厚片体等方法生成实体。图4是最后完成的水壶原型。
下面是引用佳工机电网的水壶原型：
2．4模具零件的生成
模具设计的流程通常为：
( 1)制品设计( 直接创建三维模型或导入的三维模型) 。
( 2) 观察分析实体模型的出模斜度和分型情况。
(3)设计模具的分型面、模腔布局、内嵌件、推杆、浇口、冷却和电极。
(4)初始化项目名称、加载实体模型和单位。
(5) 确定拔模方向、收缩率和成型镶件。
(6)修补开放面。
(7)定义分型面。
(8)加入标准模架、推杆、滑块、内抽芯和内嵌件。
(9)设计浇口、流道、冷却、电极、建腔和列材料清单。
(10)利用UG的CAM模块生成型芯、型腔的NC加工程序。
利用UG中的注塑模具设计(Mold Wizard) 模块，调入获得的水壶原型，通过设定Z轴的正方向为顶出方向，设置模具坐标系，取塑件的收缩率为1．005，再通过设置成型镶件、布局、修补、建立分型线、建立分型面，从而可以快速设计出注塑模的关键件——凸模如图5所示和凹模如图6所示
下面是引用佳工机电网的水壶凸模和凹模：
2．5模具零件NC程序的生成
将获得的模具零件直接导入UG的CAM模块，根据曲面选择不同的刀具和加工方式，设置合理的工艺参数、切削用量、主轴转速等
参数。模拟仿真确认无误后，选择加工中心的后处理器，系统自动生成铣削定位NCI 和NC文件，通过网线与机床通讯并实施加工。
NC加工程序的生成也非常方便，加工方式由使用者定义，可采用扫描方式相同或不同的方式进行加工。也就是说刀具路线不取决于扫描路线，刀具尺寸不取决于扫描探头尺寸，加工间距不取决于扫描间距，加工速度不取决于扫描速度，加工精度不取决于扫描精度，可实现粗加工编程，也可实现精加工编程。最后通过后处理生成不同数控系统的NC代码，输入数控机床进行零件加工。
3 结论
将逆向工程技术应用到注塑模的设计与制造中，借助于三坐标测量仪和UG软件，通过数据采集、数据处理、产品建模、模具设计、NC程序生成以及加工。可以大大缩短模具的设计与制造周期，加快产品的开发速度，提高产品设计与制造的精度，增强企业的竞争能力。特别是在零件形状复杂的模具设计与制造中，其优势更加明显。因此，逆向工程的应用，将有助于提高整个模具的技术含量，提升模具企业的竞争力。
逆向工程技术应用于产品的模具设计，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。
参考文献
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