基于快速反求技術(shù)的USB四口接線器上面板注塑模具設(shè)計【材料成型及控制工程專業(yè)資料】
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1.通過逆向工程的方法提高模具制造
生產(chǎn)工具(更出名的名字是模具)在廣泛的消費品制造業(yè)中是基本的元素。模具的設(shè)計和制作在新產(chǎn)品的開發(fā)中是一個很漫長和昂貴的步驟。正是這種原因,任何提高模具制造的努力都有利于減少時間和成本。
如今,現(xiàn)代的 CAD / CAM技術(shù)和五軸高速銑削[1]允許：
·模具的一個快速設(shè)計從CAD三維模型的部分開始；·電火花電極的結(jié)構(gòu)，要克服與幾何形狀有關(guān)的問題而不是用銑刀加工的問題；·新一代的數(shù)控刀具路徑,使用計劃開發(fā)來減少機械加工時間[2]；·高分子材料的成就在于粗加工的切除率；·完成后更好的尺寸公差和低粗糙度[3,4]。
不管切割技術(shù)已經(jīng)相差多遠,在把模具投入使用之前,下列操作仍然總是被要求的：
·手工精加工,通過去除銑削和電火花加工留下的標志來獲得光滑的表面；·裝配，確保模具正確的關(guān)閉
一方面,拋光和裝配確保模具成型,但另一方面,他們用不以數(shù)學確定的方法修改內(nèi)腔表面。據(jù)此,最終真正的幾何模具沒有反映了任何一個原始的CAD模型(理想的幾何形狀)。現(xiàn)在CAD軟件資源不允許消除這種不一致。
另一個方面,經(jīng)常被忽視的,是介紹模具的微小變化。精加工完成后,模具有時候被修改成反映產(chǎn)品最后的形狀修改。在那種情況下,模具制造廠家直接修改模具而沒有更新CAD模型。因此,可能會有問題:
· 在組裝期間,屬于模具的那一部分；· 當模具因為磨損和折斷不得不更換
缺乏CAD模型和模具實際幾何增大之間的定位，產(chǎn)品開發(fā)和發(fā)行的加工成本和時間增加。逆向工程技術(shù)給模具制造商提供了新的機會克服這種問題。近年來,非接觸式數(shù)字轉(zhuǎn)化設(shè)備主要在計算精度和若干點每單次數(shù)量測量掃描已經(jīng)被改進。高掃描速度使得用戶允許在幾秒鐘內(nèi)檢索模具表面幾十萬(甚至百萬)的點。高密度點云所包含的信息既可用于模具的質(zhì)量控制又可用于CAD模型修正[5,6]。
彩色偏差映射圖,顯示結(jié)果為一個CAD數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)的對比,提供一個完整的公差和偏差分析。用三坐標測量機(CMM)逐點檢查點位測量一些分散的點，那遠遠超出我們能力范圍[7、8]。
評估型腔表面整體和局部的偏差，去鑒定機加工錯誤和探討加工誤差產(chǎn)生的原因。在把模具投入使用之前，考慮模具型腔表面色差圖,對減少安裝時間也是有用的。檢查的結(jié)果擴展到整個圖案表面和不限于一些逐點的措施可以分析：
·當模具的實際面比相應(yīng)的CAD模型“更高”，定義重新機械加工的策略。這意味著有一些殘存的材料仍能去除?！z測不可恢復(fù)的錯誤和調(diào)查這件事產(chǎn)生的原因,當模具的實際表面比相應(yīng)CAD模型“下”。 這意味著沒有殘余材料,供進一步機械加工或手動整理。在這種情況下, 如果錯誤超出公差范圍模具不能投入使用。
另一方面,逆向工程資源可用于更新模具數(shù)學模型，通過:
·模具的凹模和凸模的數(shù)字化，得到與輸出一樣的點云數(shù)據(jù)。·母模表面的重建?！つ＞叩娜SCAD模型產(chǎn)生
本文旨顯示非接觸式檢查對比逐點測量的優(yōu)勢。在拋光和裝配操作后，模具的三維CAD模型更新也應(yīng)該成為模具制造商一個好的練習。一個程序定義使用普通的逆向工程技術(shù)和軟件包來完成這一任務(wù)。
2、 插入數(shù)字化圖像和檢查 (CAD模型比較)
模具的插入件是由輕合金組成的(圖1)。
在數(shù)控機床粗加工之后，凹模的形狀由位于相機手柄微小的槽內(nèi)的電火花進行精加工。因為其規(guī)模,事實上,這些槽不能進行銑削加工。
在銑削操作完成后凸模型腔的右半邊沒有被處理,所以它仍然顯示45°的交叉銑削的軌跡。另外一半的型腔機械加工后，反而進行拋光(圖2)。這樣的手工操作被引入評估,是否非接觸式掃描儀能正確區(qū)別不同的拋光兩半邊。
為了指出非接觸式檢驗的優(yōu)勢，模具的插入件被數(shù)字化用于GOM GmbH制造的光學掃描儀ATOS標準 (圖3)。大型模具或產(chǎn)品的非接觸式掃描比比接觸掃描和底切省時間，通過改變光學傳感器的相對位置就可以很容易地數(shù)字化。此外，而現(xiàn)代光學掃描儀的準確度和分辨率允許定義零件邊緣有大量點進行測量。
圖1 模具插入件的照片 (外形尺寸:200×98×35毫米)
圖2 凸模的不同的加工表面
所選的掃描裝置利用立體視覺,由于它有兩個索尼XC75內(nèi)置CCD攝像機（分辨率768×572像素/ 8位)光掃描儲存的圖像邊緣投射在物體。投影機,放置在傳感器的中心,依次投影十幻燈片:4張干涉圖(相移技術(shù)[9])后面跟著六條灰色編碼[第十條、第十一條]的二值圖像。六位代碼允許區(qū)分的26-64列的視野。
考慮模具插入件的總體尺寸,掃描器在距離工作區(qū)域外600毫米160×200毫米的區(qū)域校正。這樣配置的掃描儀的準確性就像裝置說明書里一樣為0.06毫米。
圖3 三維掃描技術(shù)標準和帶有參考點標記凹模
在數(shù)字化之前，為了避免光反射金屬典型表面的問題一層薄薄的白色不透明的粉末是灑在插入件。此外,參考點應(yīng)用于是插入件的粘合劑粘在目標(即標記）含有較少的細節(jié)的區(qū)域。多重掃描是一個點云的自動記錄，就像掃描軟件識別到了由標記員創(chuàng)建的固定坐標網(wǎng)格。缺乏數(shù)據(jù)標記物覆蓋的區(qū)域,但GOM的軟件允許對象模型完整的虛擬。錯誤記錄顯示在表1是GOM軟件在調(diào)整過程以標記的坐標格子為基礎(chǔ)計算的。
Inus技術(shù)有限公司的Rapidform軟件是用來模具檢測的。分成三角形的點云模型和傳統(tǒng)的CAD模型對比的結(jié)果，由軟件計算并按照平均距離,標準偏差和最大距離顯示在表1。
照相機機身的外部表面修改的逆向形狀將呈現(xiàn)出大放異彩。同樣的投影被復(fù)制到凸模的插入物。改進的模具插入物經(jīng)數(shù)字化后,型腔表面根據(jù)曲線網(wǎng)絡(luò)方法產(chǎn)生。重構(gòu)表面和點云數(shù)之間的最大偏差要小于0.03毫米。這樣的結(jié)果是令人滿意的，并且較大的偏差位于每個板塊上的小范圍內(nèi)。
圖16修改后的凹模插入件
尖銳邊緣的計算錯誤最高，可能的原因是在數(shù)據(jù)數(shù)字化過濾中雜音應(yīng)用重建精度的60%。（它對于軟件是非常需要的。）使用這樣的精確度,每個單個表面的重構(gòu)誤差 (那就是不均勻點和相應(yīng)的掃描數(shù)據(jù)之間的平均偏差）通常小于十分之一毫米(10微米), 這就與攝像機機身的注塑模具公差高度一致。用更高的精度值，有時候，表面生成算法缺少產(chǎn)生的不均勻曲線，因為在表面點自由度計算較少或生成的表面都太過復(fù)雜以至于計算機輔助設(shè)計(CAD)難以的正確掌握。柄上的溝槽表面產(chǎn)生相當大的錯誤?；蛟S,在這樣一個區(qū)域比較好的不均勻曲線依靠細槽側(cè)面曲線可能會獲得更好的結(jié)果。通過型腔的重建表面加工固體成型的第一層產(chǎn)生 最新后的凸模CAD模型(圖17)。
圖17凸模插入件更新后的CAD模型
凹模上相應(yīng)的孔是由實體之間布爾減創(chuàng)建的,為保證一個完美的裝配。修改后的凹模(圖18)則是依靠重建表面的掃描數(shù)據(jù)塑造的。
圖18 凹模插入件更新后的CAD模型
7、 結(jié)論
本文指出模具制造商如何從非接觸式檢測和反求工程技術(shù)模具制造標準中獲益。由于最近光學掃描儀的性能的改善，模具的非接觸式質(zhì)量控制為圖形提供了尺寸和幾何公差的完整的信息，以在投入使用之前檢查制造的工具是否正確。非接觸式檢測也可以用來監(jiān)控模具連續(xù)工作幾周或幾個月后的磨損和磨蝕。當使用高強度的模具材料時，這是特別令人關(guān)注的。
另一個優(yōu)勢來自模具包括產(chǎn)品由于拋光和裝配的手工操作關(guān)鍵修正的實際的幾何形狀改變后原始CAD模型的更新。當?shù)毒咭蚰p或折斷被替換時，更新后的模具CAD模型降低了生產(chǎn)和調(diào)整了次數(shù)。
在本文中，一個相互作用的程序從掃描數(shù)據(jù)開始試驗和確認重建和更新模具CAD模型。 掃描階段與無觸點的檢驗是相似的，它的過程甚至更短暫：所有的模具插入件都會在一個工作日內(nèi)被數(shù)字化。表面重建的步驟與CAD模型的創(chuàng)造而是需要更長時間，每個模具插入件都需要一個工作周來完成。
每個板塊的創(chuàng)造都依靠軟件處理是一項艱難的工作，此外，操作員每一次都必須互相配合以確保下一塊表面的創(chuàng)建。一旦曲線網(wǎng)絡(luò)被創(chuàng)建，如果人們可以在自動創(chuàng)建表面之前就可以立即選好所有的塊，那么人類的干涉可能是不必要的了。
關(guān)于模具的CAD模型的創(chuàng)建，經(jīng)營者需要開發(fā)出建模功能使重建的標準表面轉(zhuǎn)化成實體。有時，返回到前面的步驟也是必要的，這可以減少不均勻曲線命令，因為太復(fù)雜的表面不易于用CAD軟件包來完成。為了簡化相互作用的程序，宏指令可能會被用作每個表面的創(chuàng)建。使重建模具數(shù)學模型的過程自動化的建議可以作為將來更遠的活動的出發(fā)點，這無疑需要改進用于實際的曲線網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建的自動化軟件算法。
毫無疑問，如今利用自動化的表面重建功能就可以在很短時間內(nèi)獲得模具或產(chǎn)品的數(shù)字模型，但得到的模型其質(zhì)量一般不高，而且很難進一步修改其形狀。如果在最后一分鐘有需要或問題需要解決，他會是一個很好的折衷辦法。當缺乏模具或產(chǎn)品更新的三維模型,為了使它保持可供未來設(shè)計使用，此時人類的干預(yù)的基本過程時間更長。在這種情況下應(yīng)該使用計算機輔助設(shè)計驅(qū)動的方法,效益存在在較高的模型質(zhì)量和物體形狀修改的解除。
作為一個額外的例子，這個被推薦的程序適用于大量定制產(chǎn)品的逆向工程：兒童滑雪靴（圖19）
圖19兒童的滑雪鞋(外形尺寸240×180×85毫米)
在曲線網(wǎng)絡(luò)定義時只有依靠用戶交互作用才能方便執(zhí)行掃描數(shù)據(jù)的細分，這樣就能得到最終的高質(zhì)量的CAD模型（圖20）
圖20的滑雪靴子的重建CAD模型
實際上，重建的數(shù)學模型對于原始掃描數(shù)據(jù)只有一個小于0.01mm的平均偏差。此外，通過適當?shù)姆指?，表面灰色的柔韌部分（小孩子穿進靴子的地方）從剩下的靴子部分分開，所以重新設(shè)計雪地靴的時候這兩部分可以單獨分開修改。
在逆向工程重建中關(guān)鍵的一步是數(shù)據(jù)掃描分割中的人類因素和對于獲取可利用的高質(zhì)量數(shù)學模型的經(jīng)驗，這是很有必要的。一個可以代替用戶干涉并且自動細分的復(fù)雜系統(tǒng)還很遠遠不能實現(xiàn)。
然而，在不久的將來，只要先進的軟件算法將模具CAD模型的更新步驟簡化，那些普遍采用逆向工程模具制造廠商在他們的競爭對手將占有優(yōu)勢。
原文：1.L.Iuliano & P.Minetola 《Through reverse engineering methods to improve the manufacture of molds》
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