逆向工程技術(shù)在塑料模具設(shè)計中應(yīng)用

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【摘要】逆向工程是一種快速成型技術(shù)，在塑料模具設(shè)計中的應(yīng)用對提高設(shè)計與制造效率有著重要意義。目前，逆向工程技術(shù)在塑料模具設(shè)計中被廣泛推廣，但對技術(shù)功能與價值的實現(xiàn)仍有提升空間?，F(xiàn)基于對逆向工程技術(shù)的分析，探究其在塑料模具設(shè)計中應(yīng)用的具體流程與步驟，并利用實際案例闡述具體應(yīng)用操作，以期為行業(yè)內(nèi)實踐應(yīng)用提供參考與借鑒。

【關(guān)鍵詞】塑料模具；逆向工程技術(shù)；案例分析

隨著工業(yè)產(chǎn)品、生活用品塑料化趨勢的增強，塑料制品的應(yīng)用范圍逐漸擴大，市場需求量不斷上升，同時各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λ芰袭a(chǎn)品的強度特性、品質(zhì)也提出了更高要求，尤其是塑料制品逐漸取代傳統(tǒng)金屬元件，對塑料制品質(zhì)量要求更為嚴(yán)格。目前塑料制品設(shè)計與加工技術(shù)依然沿用傳統(tǒng)設(shè)計模式，即先進行圖紙三維模型構(gòu)建，再根據(jù)成品應(yīng)用需要進行材料、工藝等設(shè)計，常出現(xiàn)因缺失圖紙數(shù)據(jù)而延長設(shè)計與生產(chǎn)周期的情況。將逆向工程技術(shù)應(yīng)用于常規(guī)設(shè)計模式，顛倒傳統(tǒng)設(shè)計流程，先進行實物樣件圖紙設(shè)計再進行三維數(shù)字模型轉(zhuǎn)化，能夠有效提高設(shè)計精度與效率。以下探究逆向工程技術(shù)在塑料模具設(shè)計中的具體應(yīng)用，希望能對行業(yè)內(nèi)合理利用逆向工程技術(shù)有一定的參考作用。

1逆向工程技術(shù)概述

逆向工程技術(shù)又被稱作反求工程，是指運用測量手段展開對實物、模型的測量，根據(jù)獲取的測量數(shù)據(jù)構(gòu)建三維幾何模型，重構(gòu)實物CAD模型，進行產(chǎn)品設(shè)計與制造。具體流程是：在已有樣品基礎(chǔ)上通過測量獲取相關(guān)數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、經(jīng)CAD進行曲面創(chuàng)面和CAD曲面造型修飾，數(shù)據(jù)基礎(chǔ)形成后進行模具造型、經(jīng)CAD軟件生成NC程序和加工模具，最終完成模具重構(gòu)，用于產(chǎn)品復(fù)制。其中需要用到諸多工具與軟件，如在數(shù)據(jù)測量環(huán)節(jié)，需要大量點群數(shù)據(jù)處理軟件，CAD、MAE、CNC和CAM等，以及機械接觸式坐標(biāo)測量機、三維激光掃描機和光學(xué)坐標(biāo)測量機等設(shè)備[1]。逆向工程技術(shù)作為一項創(chuàng)新型技術(shù)，對工程軟件的應(yīng)用要求嚴(yán)格，需要具備噪聲濾除、內(nèi)插補、曲面修改、細線化、曲線與曲面構(gòu)建和補點等諸多操作功能[2]。

2逆向工程技術(shù)在塑料模具設(shè)計中的應(yīng)用流程

2.1數(shù)據(jù)測量與采集

數(shù)據(jù)測量與采集是逆向塑料模具設(shè)計的第一步，以測量期間側(cè)頭與工件是否發(fā)生接觸為標(biāo)準(zhǔn)，目前分為有接觸與非接觸兩種測量方式，其中接觸式測量具有較高精準(zhǔn)度，對工件的表面光線以及顏色無特殊要求，但需要在測量過程中嚴(yán)格控制測量速度，避免劃損側(cè)頭；非接觸式具有測量速率快的優(yōu)點，但測量精度較低，測量過程中要求工件表面光線適宜，目前常用于曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件測量。數(shù)據(jù)測量是將實物工件與三維數(shù)據(jù)模型這兩個孤立過程連接實現(xiàn)數(shù)字化加工的橋梁，目前為了滿足內(nèi)行業(yè)內(nèi)高設(shè)計效率的需求，測量過程中應(yīng)充分描繪工件幾何外形特征，采用合適技術(shù)與工具，減少無用點云數(shù)據(jù)的掃描與采集[3]。常用三坐標(biāo)測量機測量工件曲面點云數(shù)據(jù)，通過曲面特征情況分析，可自動規(guī)劃化面片測量路徑，減少測量中干擾因素、提高測量效率，及時在點云數(shù)據(jù)下保障曲面質(zhì)量。

2.2數(shù)據(jù)處理

獲取后的點云數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理，形成統(tǒng)一視角下的物理輪廓數(shù)據(jù)信息，這一步驟需要將測量中采集的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成.asc格式，經(jīng)GeomagicStudio軟件完成點云之間的拼合；完成合并后，再利用軟件中的噪音濾除功能，將數(shù)據(jù)采集過程中因掃描設(shè)備振動以及光照產(chǎn)生的噪音點消除；最后需要重新采樣，這一環(huán)節(jié)至關(guān)重要，關(guān)系到后續(xù)設(shè)計的整體效率，其需要對從點云數(shù)據(jù)的整體上進行考慮，改變數(shù)據(jù)點之間的距離，進行系統(tǒng)性的處理，減少不必要的點云數(shù)據(jù)，從而獲取完整的曲面點云[4]。也可利用三維CAD軟件直接進行點云處理，將獲取的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為.igs格式，上傳到CAD軟件中，經(jīng)冗余數(shù)據(jù)清除處理、誤測與波動數(shù)據(jù)消除處理、側(cè)頭半徑影響消除處理、數(shù)據(jù)平滑處理、提取特征數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分割處理和視圖合并處理步驟進行操作。

2.3曲面及CAD模型建構(gòu)

目前，常用的曲面模型建構(gòu)方法有兩種，一種是直接利用點云數(shù)據(jù)建構(gòu)曲面，另一種則是點云數(shù)據(jù)擬合曲面后經(jīng)過造型工具處理建構(gòu)曲面。兩種方法獲取的曲面存在差異，點云數(shù)據(jù)直接建構(gòu)曲面為非參數(shù)化曲面，原始點與曲面之間為非關(guān)聯(lián)關(guān)系，增加了后續(xù)設(shè)計的難度；而擬合曲面后形成的新曲面為參數(shù)化曲面，可為設(shè)計提供參數(shù)且可進行修改[5]?？蓪?igs格式點云數(shù)據(jù)上傳至Pro/e軟件中，進行曲面建構(gòu)；也可利用UG軟件，經(jīng)過布爾運算，獲取實物原型的完整三維數(shù)據(jù)，進行標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)曲面建構(gòu)。2.4注塑模具成型件設(shè)計曲面模型建構(gòu)后可繼續(xù)利用Pro/e軟件進行分模處理，因考慮到需要塑件具有一定拔模傾度，選擇合適的分型面至關(guān)重要；軟件中模具分析工具可執(zhí)行脫模傾斜度檢測命令，使用構(gòu)成中將收縮率調(diào)整為0.005，點擊“編輯”菜單，通過復(fù)制、粘貼命令，則可快速創(chuàng)建完成工件外表曲面，再利用填充等工具進行修補，最終合并形成完整分型面。獲取分型面后，利用體積塊分割以及模具進料孔兩個工具進行開模演示，無任何問題后，則可將模塊導(dǎo)進數(shù)控加工程序進行編制。利用UG等軟件時則可利用無線模塊以及單片機處理數(shù)據(jù)，最終通過液晶模塊顯示數(shù)據(jù)用于設(shè)計編制。

3逆向工程技術(shù)在塑料模具設(shè)計中應(yīng)用（以電鉆殼模具設(shè)計為例）

3.1數(shù)據(jù)測量與采集環(huán)節(jié)

考慮到電鉆殼的外形復(fù)雜度，采用Laser-RE600Ⅲ型非接觸式激光掃描儀配和雙CCD三角測量技術(shù)完成點云數(shù)據(jù)測量采集工作，在采集數(shù)據(jù)過程中，為避免激光掃描受區(qū)域限制，需對電鉆殼正、側(cè)兩面進行2次以上掃描，其中正面掃描利用單方向直線式進行連續(xù)性掃描即可，而側(cè)面掃描則需要在360°旋轉(zhuǎn)下完成掃描。

3.2數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)

將測量后采集的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為.asc格式，經(jīng)GeomagicStudio軟件處理，將其中噪音點與無效點云數(shù)據(jù)清除，第一環(huán)節(jié)共采集8633個點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后留取4509個點云數(shù)據(jù)。

3.3曲面及CAD模型建構(gòu)環(huán)節(jié)

逆向工程技術(shù)設(shè)計中采用曲面建構(gòu)方法先進行曲面擬合，形成參數(shù)化曲面，具體操作中將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為.igs格式，通過Pro/e軟件進行建構(gòu)，建構(gòu)過程中為最大程度保障整個過程清晰、有序，先進行點層數(shù)據(jù)分層處理，根據(jù)電鉆殼曲面特征共分為3個層次：手柄部為第一層次、電機倉為第二層次、連接處為第三層次，每個層次分別構(gòu)建起曲面片，經(jīng)過合并與修剪形成完整曲面。建構(gòu)過程中采用四邊參數(shù)曲面的“邊界混合”功能，先形成平行的基準(zhǔn)面進行曲線造型，再在基準(zhǔn)面基礎(chǔ)上消除誤差數(shù)據(jù)，使曲面過度更為光順；并通過“曲率分析”判斷曲線光順性是否達到標(biāo)準(zhǔn)，如果分析結(jié)果顯示曲率呈較大變化趨勢，則表示光順性差。按照以上環(huán)節(jié)完成第二層次造型曲線建構(gòu)，最終利用“邊界混合”工具完成不同層次造型曲線的合并。需要注意的是，在曲線建構(gòu)過程中，需要細化曲線特征，詳細分析塑件形狀以及塑件特征，清除非必須擬合造型曲線，合并過程中需要通過面片的修建處理、合并處理和過度處理，經(jīng)過“抽殼”與“實體化”工具實現(xiàn)整體的構(gòu)造，最終經(jīng)過后期拉伸、倒圓角等工具細化模具特征，完成三維數(shù)字化模型建構(gòu)。在注塑模具成型件設(shè)計環(huán)節(jié)，需先進行分型面設(shè)計，經(jīng)過體積塊分割將分型面分模，形成如圖1所示的凹、凸模型腔，模擬模具進料，無問題后導(dǎo)入到數(shù)控加工程序編制。

4結(jié)語

逆向工程技術(shù)實現(xiàn)了更高效的塑料模具設(shè)計，且經(jīng)過實踐驗證，在設(shè)計過程中通過參數(shù)化曲面重構(gòu)提高了模具設(shè)計精準(zhǔn)度，為實現(xiàn)塑料模具高質(zhì)量、高效率設(shè)計創(chuàng)造了條件。因此，通過逆向工程技術(shù)的具體應(yīng)用分析，希望其使用功能與價值得到充分發(fā)揮，成為一種快速、有效的塑料模具設(shè)計手段。

參考文獻

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[5]馬峰,張華,潘莉,等.3D打印與逆向工程實驗在先進制造技術(shù)課程中的應(yīng)用[J].中國科技縱橫,2020(20):41-43.

作者:王書林 單位:徐州市中等專業(yè)學(xué)校