摘 要：介紹 Cimatron 軟件在塑料模具逆向工程設(shè)計(jì)和制造中的應(yīng)用。并通過(guò)塑料面罩玩具的設(shè)計(jì)實(shí)例，說(shuō)明用 Cimatron 軟件為塑料模具產(chǎn)品逆向工程提供了強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)工具，充分利用 Cimatron 軟件強(qiáng)大的點(diǎn)造型曲面功能，可大大縮短特別是塑料模具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。

關(guān)鍵詞：逆向工程； CAD ；三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)；點(diǎn)造型；快速分模

模具設(shè)計(jì)一般源于由功能需求產(chǎn)生的概念設(shè)計(jì)，之后再進(jìn)行其具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，產(chǎn)生完整的 CAD 數(shù)學(xué)模型，繼而進(jìn)行分析制造，這一過(guò)程為 CAD/CAM 正向過(guò)程，它適用于比較規(guī)則的解析外型零件的模具設(shè)計(jì)。隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，許多產(chǎn)品形狀復(fù)雜，如塑殼玩具、摩托車外形部件等需要兼顧美學(xué)及工業(yè)要求，這就使得直接建立其模具 CAD 模型非常困難，從而不能用 CAD/CAM 正向工程。在先有實(shí)物或主模型時(shí)，可以通過(guò) CAD/CAM 逆向工程來(lái)開(kāi)發(fā)其模具，簡(jiǎn)而言之，由實(shí)物到產(chǎn)品的過(guò)程即 CAD/CAM 逆向工程，它對(duì)于縮短模具開(kāi)發(fā)周期非常有效，特別是那些形狀復(fù)雜的生活用品和工業(yè)用品模具。

逆向工程通常被用來(lái)執(zhí)行模型的仿制、開(kāi)發(fā)工作�；�于原型或?qū)嵨锏哪嫦蚬こ桃蚱淇旖莸拈_(kāi)發(fā)方式，極大地縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，因而在設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域有著廣泛的技術(shù)需求。特別是對(duì)于沒(méi)有原始幾何信息的零件，逆向工程是完成零件精確幾何造型的重要手段，因而在模具設(shè)計(jì)和制造中成為技術(shù)熱點(diǎn)。同時(shí)由于逆向工程能夠提供原始產(chǎn)品的主要外形特征，進(jìn)而對(duì)其幾何外形進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速改型，因此能夠滿足系列化、多樣化的要求。傳統(tǒng)的復(fù)制方法是用立體雕刻機(jī)或仿形銑床制作出模具，再進(jìn)行批量生產(chǎn)。這種復(fù)制方式無(wú)法建立工件尺寸的圖形文件，也無(wú)法做任何外形修改，因此已為數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)所取代。目前所稱的逆向工程是針對(duì)現(xiàn)有工件，利用 3D 數(shù)字化測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確、快速地測(cè)量工件的表面點(diǎn)數(shù)據(jù)或輪廓線條，并加以創(chuàng)建曲面、分模、加工，制作所需模具；或由 CAD 系統(tǒng)生成的 SPL 模型文件傳至快速成型機(jī)，將樣品模型制作出來(lái)，直至達(dá)到滿意效果。在許多逆向工程應(yīng)用實(shí)例中，并不是要完全仿制原有的產(chǎn)品，而只是要掌握原有的設(shè)計(jì)理念，經(jīng)過(guò)調(diào)整來(lái)建立 1 個(gè)類似的設(shè)計(jì)模型，因此逆向工程所涵蓋的意義不只是重制，也包括了再設(shè)計(jì)。

在應(yīng)用 Cimatron 軟件進(jìn)行逆向工程的主要思路是：精心制定測(cè)量規(guī)劃，利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x獲取實(shí)物模型數(shù)據(jù)；再利用 Cimatron 軟件完成散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)建模，得到零件的曲線模型；然后利用 Cimatron 軟件將曲線生成曲面，在這些曲面的基礎(chǔ)上進(jìn)行正向設(shè)計(jì) ( 正向設(shè)計(jì)在此不討論 ) ，與裝配協(xié)調(diào)，生成實(shí)體特征模型。這種方法保證了逆向工程的優(yōu)勢(shì)，又利用了 CAD 軟件強(qiáng)大的實(shí)體和曲面建模功能，是工程設(shè)計(jì)中一種好的解決方法之一�；�本流程如圖 1 所示。

圖 1 逆向工程流程

筆者以 Cimatron 軟件在塑料面罩玩具模具逆向工程中的應(yīng)用為例，介紹 Cimatron 軟件逆向工程的具體實(shí)施步驟。

1 采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)

       塑料面罩玩具的外形由復(fù)雜的曲面組成，形狀藝術(shù)化，尺寸精度相對(duì)形狀要求較低，用 CAD/CAM 軟件直接建模很困難。而且玩具由孩子們的愛(ài)好確定，必須制造樣板，因此利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量裝置來(lái)獲取零件原型輪廓和表面特征的數(shù)據(jù)點(diǎn)。在塑料面罩玩具表明數(shù)字化中，采用 CMM 為代表的接觸式測(cè)量，在保證坐標(biāo)原點(diǎn)相同條件下測(cè)得玩具輪廓及表面特征數(shù)據(jù)點(diǎn)，把采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)存入計(jì)算機(jī)中。根據(jù)玩具模型的需要，對(duì)所采集的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行處理，對(duì)不同的特征紋理方向面所采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)以不同顏色區(qū)別，同一截面方向的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用同一顏色處理，對(duì)外形輪廓特征的數(shù)據(jù)點(diǎn)以同一顏色，將采集到的壞點(diǎn)或不符合模具特征的點(diǎn)進(jìn)行刪除。將處理好的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)以 IGES 格式存檔，圖 2 所示。

圖 2 塑面罩玩具三維數(shù)據(jù)點(diǎn)

2 對(duì)三維點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)造型建模

        將三坐標(biāo)測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn) IGES 格式在 Cimatron 軟件 mainmenu 菜單中的 DI 窗口進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 Cimatron 軟件直接打開(kāi)的文件格式 PFM ，然后進(jìn)入 Cimatron 軟件 CAD 造型環(huán)境中，將數(shù)據(jù)點(diǎn)文件打開(kāi)，對(duì)圖 2 所示的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行編輯，對(duì)不同顏色的數(shù)據(jù)點(diǎn)放在不同的工作層 LEVELS ，以便于編輯造型，然后先將外形輪廓特征的點(diǎn)層打開(kāi)，用 PICK 抓點(diǎn)模式做 3D 曲線，再分別打開(kāi)其他層的數(shù)據(jù)點(diǎn)，依依用 SPLINE 做橫、縱方向的 2D 曲線，用 MESH 網(wǎng)格面功能將所做的曲線構(gòu)成曲面，圖 3 所示。最后分別用 RULED 、 MESH 、 TRMSRF 功能做眼睛、嘴巴、眉毛、頭發(fā)曲面。經(jīng)過(guò)光順處理后得到圖 4 所示的塑盒玩具模型。

圖 3 塑面罩玩具點(diǎn)造型

圖 4 塑面罩玩具模型

3 快速分模

             將圖 4 所示的數(shù)字產(chǎn)品模型用 Cimatron 軟件快速分模 QUICK ＿ SPLIT 功能進(jìn)行型芯、型腔的設(shè)計(jì)。經(jīng)分模后的圖形退出快速分模軟件進(jìn)入曲面 CAD 環(huán)境時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生分模線，根據(jù)已有的分模線快速生成分模曲面，該方法可以非常靈活地處理模型的曲面信息，并可對(duì)計(jì)算精度進(jìn)行細(xì)調(diào)，最后經(jīng)編輯、整理形成最終設(shè)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行 NC 加工即可得到理想的上、下模。如圖 5 所示。

圖 5 塑面罩玩具上下模型

4 結(jié)束語(yǔ)

          逆向工程一般是通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或激光掃描機(jī)等數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取復(fù)雜零件的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)而利用反求軟件對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)處理，實(shí)現(xiàn)由點(diǎn) ? 線 ? 面的 CAD 三維模型設(shè)計(jì)。由此可見(jiàn)，逆向工程主要包含 2 項(xiàng)內(nèi)容， ① 實(shí)物模型表面數(shù)據(jù)點(diǎn)的獲取，即數(shù)字化技術(shù)， ② 曲面造型技術(shù)。逆向工程技術(shù)與 NC 加工技術(shù)或 RP 技術(shù)相結(jié)合，能使模具產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、研制周期大大縮短，為新產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)創(chuàng)造先機(jī)，為企業(yè)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益， Cimatron 軟件為逆向工程提供了強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)工具，充分利用 Cimatron 軟件強(qiáng)大的點(diǎn)造型曲面功能和刀路編程功能，可大大縮短特別是塑料模具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，在浙江臺(tái)州、廣東、山東等地區(qū)深受模具制造業(yè)的重視。

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