（机械制造及其自动化专业论文）基于曲面重构技术的塑料异型材挤出模具制造技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着塑料门窗在我国的建筑行业的广泛应用，极大的推动了塑料异型材挤出模技术 的发展。然而，由于缺乏设计、制造和试模经验，我国挤出模的设计和制造水平与国外 相比还有较大差距。因此，研究塑料异型材挤出模制造技术具有重要的研究价值和迫切 的现实意义。针对塑料异型材挤出模具正向设计难度大的问题，本文提出了基于反求工 程曲面重构技术的塑料异型材挤出模具制造新技术，重点研究了数据采集、半径补偿、 数据对齐、曲面重构等关键技术。 在挤出模模腔数字化时，针对存在的测头半径补偿问题进行了深入的研究，给出了 三角网格化方法。在不需要重建曲面模型的情况下，找到每一个数据点的法矢，在该法 矢方向上补偿个球头半径实现了测头半径的三维补偿。该方法具有简单方便、准确性 高的特点。在对复杂的模腔进行数据采集时，有时需要通过多次测量才能全部实现。本 文采取了基于三个基准点对测量数据直接对齐的方法。在实际应用中，该方法是一种简 单、快速、有效的手段。根据异型材挤出模模腔制造特点，采用几何造型中的扫掠曲面 造型技术。通过两条横截面曲线沿一条导引线移动形成的扫掠曲面，对挤出模头模腔进 行曲面重构。 最后，应用本文的方法对挤出模模腔最复杂部分机颈段进行反求制造。通过对机颈 段数据采集、半径补偿、数据对齐、c a d 模型重建、c a m 模拟与加工，总结了挤出模具 的反求制造流程。经过实践证明，本文提出的基于曲面熏构技术的塑料异型材挤出模具 制造技术，改变了挤出模具依靠手工测绘的传统设计制造工艺，缩短了挤出模具的开发 周期，提高了模具质量，对提高国内挤出模设计制造水平有一定借鉴意义。 关键词：塑料异型材；挤出模；反求工程；曲面重构；半径补偿；扫掠曲面 基于曲面重构技术的塑料异型材挤出模具制造技术研究 r e s e a r c ho nt h em a n u f a c t u r e t e c h n o l o g y o f p l a s t i cp r o f i l e e x t r u s i o nd i eb a s e do ns u r f a c er e c o s t r u c t i o n a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no f p l a s f i cd o o r sa n dw i n d o w si na r c n t e c t u r e i n d u s w i na 】i n a t h et e c h n o l o g y d e v e l o p m e n to f e x t m s i o n d i e sw a s h i g h l yp r o m o t e d h o w e v e r , d u e t ot h el a c ko f d e s i g n ，m a n u f a c t u r ea n dt e s t i n ge x p e r i e n c e , t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gl e v e ll a gb e h i n d al o t c o m p a r e dw i t hf o r e i g nc o u n t r i e s t h e r e f o r e ，t h e r ea r cs i g n i f i c a n tr e s e a r c hv a l u e sa n du r g e n t r e a h s f cm e a n i n gt o s t u d yt h et e c h n o l o g yo fe x t r u s i o nd i e s a i m e da t t h ed i f f i c u l t yo ft h e t r a d i t i o n a ld e s i g no fe x t r u s i o nd i e ，an 洲m 舭u 自c t 】咄t e c h n o l o g yo fe x t r u s i o nd i eb a s eo n s u r f a c er e c o n s t r u c t i o ni nr e v 豇 s ee n g i n e e r i n gi sg i v e ni nt h ep a p e r s o m ek e y t e c h n o l o g i e sa l e s t u d i e dd e e p l y , w h i c ha r ed a t ac a p t u r e , p r o b er a d i u sc o m p e n s a t i o n ，d a t ar e g i s t r a t i o n , s u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n ，e t c w h e nt h ec a v i t yo f e x t r u s i o nd i ei sm e a s u r e d ，t h e p r o b l e mo f p r o b e r a d i u sc o m p e n s a t i o n i ss t u d i e d , a n dt h et r i a n g u l a rn e tm e t h o di s a p p l i e d t h en o r m a lv e c t o ro fe a c hd a t ap o i n ti s c a l c u l a t e dw i t h o u tr e c o n s t m c l i n gs u i f a c e ，a n dt h e nr e a l i z i n gr a d i u sc o m p e n s a t i o nw i t hp r o b e r a d i u sb yg o i n ga l o n gn o r m a lv e c t o r t h em e t h o di ss i m p l e ，c o n v e n i e n ta n dh i 班a c c u r a c y w h e nt h ep o i n t so fe x t r u s i o nd i ea r ec a p t u r e d , m a n ym e a s u r e m e n t sa r en e e d e ds o m e t i m e s i n t h e p a p e r , t h er e g i s t r a t i o nm e t h o d b a s eo nt h et h r e e p o i n t si sa p p l i e d i n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n , t h e m e t h o di ss i m p l e ，f a s t , e f f e c t i v e a c c o r d i n gt ot h em a n u f a c t u r i n gf e a t u r eo fe x t r u s i o nd i e ，t h e s w e e p s u r f a c ei sa d o p t e dt or e c o n s t n z c t 嗣妇ew h i c hi sf o r m e d b ys w e e p i n g t w oc i o s s - s e c t i o n c u i v e sa l o n ga p r o f i l e c u r v e f i n a l l y , t h em o s tc o m p l i c a t e dp a r t - n e c k s e c t i o no fe x t r u s i o nd i ei sm a n u f a c t u r e db yt h e m e t h o di nt h ep a p e r t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e d u r eo ft h er e v e r s ee n g i n e e r i n go fe x t r u s i o nd i e h a v e b e e n s u m m a r i z e d ，s u c h a sc a p t u r i n gd a t ao f n e c k s e c t i o n , c o m p e n s a t i n gp r o b er a d i u s ，d a t a r e g i s t r a t i o n ，c a dm o d e lr e c o n s 缸 u c t i o n , s i m u l a t i n gc a m a n dm a n u f a c t u r e , e t c a p p h c a f i o n s h o w st h a t ，t h e m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo f p l a s t i cp r o f i l ee x t r u s i o n d i ew h i c hb a s eo ns u r f a c e r e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yh a sc h a n g e dt h et r a d i t i o n a ld e s i g np a t t e r nt h a td e p e n d so nt h e d r a w i n gb yh a n d ，s h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tp e r i o do f e x t m s i o nd i e , i m p m v e dt h eq u a l i t yo ft h e m o u l da n dt h ed e s i g na n dm a n u f a d u r el e v e lo f e x i n t s i o nd i ei nc h i n a k e yw o r d s ：p l a s t i cp r o f i l e ；e x t r u s i o nd i e ；r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ； p r o b e r a d i u sc o m p e n s a t i o n ；s w e e p i n gs u r f a c e i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：二当岛。啦日期：兰塑：主 大连理王大学硕士学位论文 一。，。，。；，。，+。-，。，一一 i 绪论 i 漂滋熬工稷背景 1 1 1 塑料异型材挤出模鼹技术国内外发腮概况 1 + 鬟瓣器塑耢揍蠢溪其莺势发震藏撬 塑料建材作为一种新兴的建筑材料使其继钢材、木树和水溅之后，成为第四j 犬建 耱，索矮潜力缀大，大办攉广交麓璧氍建糖，其寄褥基靛经济鼓益裙社会效益。塑精建 材不仅能代替蠡属和术材，而且具有许多优于盒属和术材以及熟它传统材料的独特性 能，可戮繁兹憝源、舔护环境，葭善器健繇蕊黎条箨，鼓普建筑麓憝。黧精雾塑毒手终为 种主骚的塑料建材具谢广阔的发展前撩。与此间时，塑料挤出产品也不断涌现，1 9 5 9 年在德懑遂秀上繁一凌魏瓣窗蘑 霆。在德蓬塑辩门整发聚麓带穗积支持下，酸溯备嚣紧 随其后，塑料门窗迅速发展 1 。据了解，塑料门窗在德国塑料门窗的市场份额高达 8 0 ，英毽嚣敌避家泰琢癸额氇逸舞3 0 4 0 。蓬蓍照耩门察瓣广泛廛零，与越靼 适应的j 窬出设备得到了迅速发展。就型材生产效率而言，德国、翅地利两图单腔摸具主 藿耪蘩篷速麦逡辎7 r e & i n ，蓑至燹褰；毅获摸篡塞墼辩挤窭速凌霹这5 袋m i n 。 塑料异型材挤出模鼠是塑料异型材嫩产的关键工艺激备之一 2 。塑料异型材挤出 搂其豹发漫与轿爨扭霸耪窭理埝戆发震踅密甥鞠关豹。1 9 3 5 年，第一套建 二熬糍睡材 料挤出的机器悬由p a u lt r u s t e r 在德国制造的。在这之艏，意大利l m p 公司的r o b e r t c o l o m b o 提出。芗热望登婆糨委双螺籽挤豳橇基本驻理静设想，楚与c a r l op a s q u e t t i 一 起进行了醋酸纤维素混炼研究，并开发了一种啮合同向旋转式双螺杆挤出机。1 9 5 0 年 阻蓐，对携窭避稷夔秘学醑襄羁盏增多。1 9 5 3 每举霄豹“露1 2 援美星织学橼会会议。 对挤出理论的发展起到了重要作用。2 0 世纪6 0 颦代中期，t a d m o r 在m o d d o c k 早期的定 缝爵究麓萋箍上避蜇了有关熔融鹣定量努 究 霹。魏嚣豹磷突工俸在稷大黻上集中于 基础理论的应用上面，并且在此基础之上，开发相关的c a d 和c a e 软件。较为成熟的挤 窭摸她忿缝软辞毒： ( 1 ) e x t r u d - p c ：菠邕s c i e n t i f i cp r o c e s s r e s e a r c h 公司拜发的挤出成璎c a e 骏掌 ，髑子分掇攀嫘籽按怨戒型敬熔热滚动湟度、压力等。 ( 2 ) p a s s ：p l o y m e rp r o c e s s i n gi n s t i t u t e 汗发的挤出成囊c a e 软件。 ( 3 ) f t r uc a d ：叠日枣太a d v a n c e dp o l y e rp r o c e d d i n g d e s i g n 中心开发麴挤出 成型软件，由眺下四个模块组成：e x t r uc a d ：横拟物料在机筒内的温度、压力、流量 一3 一 基于曲面重构技术的塑料异型材挤出模具制造技术研究 的变化；f l a tc a d ：二维流动仿真模拟分析平板机头熔体非等温流动；c o e xc a d ：熔体 在鱼尾式和衣架式双层共挤模头中的流动分析；s p i r a l c a d ：分析预测熔体通过螺旋式 芯棒机头时的流量、温度、压力的变化情况。 ( 4 ) p o l yc a d ：主要分析熔体在流道内的流动行为，主要分为三个模块：p o l y l d ：无对流熔体在任意截面流道流动的分析；p o l y 2 - d ：对称于无对流轴平面流动的分 析；p o l y 3 一d ：三维流动分析。 ( 5 ) f l o w 2 0 0 0 ：c o m p u p l a s t 国际公司专为塑料挤出工业开发的工业应用软件。本 系统包括十二个模块，即f l o w 2 d 、f l o w 3 d 、e x t r u - d e r 、p r o f i l ed i e 、p r o f i l e c o o l i n g 、f l a td i e 、s p i r a ld i e ，m u l t i l a y e r 、c h i l lr o l l 、m a t e r i a ld a t a b a s e 、v i s c o s i t y f i t t i n g 、a n dr h c o l o g yt o o l ( - - 维流动、三维流动、挤出机、型材模头、型材冷却、平 板模头、螺旋模头、多层共挤、冷却辊、树脂数据库、粘度拟合和流变学工具) 。该系 统可以对挤出加工过程进行有效的分析、设计及优化。 目前，发达国家c a d c m c a e 技术应用于塑料异型材挤出模具的设计与制造中。 借助c a d 软件，模具设计人员能从烦冗的绘图和计算中解脱出来，集中精力从事诸如方 案、构思、结构优化等创造性的工作，借助c a m 软件，模具型腔的几何数据能交互的转 换为曲面机床刀具运动轨迹，进而生成数控加工指令，从而省去许多工序，提高型腔表 面的加工精度和效率。c a e 技术的重点在于对塑料成型过程进行计算机模拟，在模具制 造之前就可以形象、直观的在计算机屏幕上模拟出实际成型过程，预测模具设计和成型 条件对产品的影响，发现可能出现的缺陷，为模具设计和成型条件是否合理提供科学依 据。当前挤出模具技术正在向高速共挤方向发展。模具定型结构已经发展到新一代，即 达到高速生产的干式、湿式混合定型结构。比较典型的有湿式定型结构中的负压喷淋技 术、负压涡流技术以及节能高效的干式定型模结构 4 。 2 塑料异型材挤出模具国内发展概况 7 0 年代欧洲兴起塑料门窗，受其影响，我国开始进行塑料异型材挤出模技术的研 究，但至8 0 年代初发展步子还比较缓慢 5 。随着国内化学建材的推广应用，9 0 年代 塑料异型材挤出模技术才得到迅速发展。由于缺乏设计和试模经验、加工设备多为通用 机床、模具选材与热处理和表面处理工艺水平落后，使模具质量较低。加之人们对塑料 门窗还没有足够认识，医此对模具的重视程度也不够，造成模具技术初期发展缓慢，以 至于8 0 年代中后期异型材挤出模还主要依靠进口。 一4 一 犬连烈二 大学硕士学使论文 遂辩麓糖捺繇淡粪黥犬爨避秘，孳；起溪凑诲多秘碳攀娆寐焱潼熬掇大蓑海，汗始辩 穰其麓疆蠢鲶予鬣镣黥霪筏，舞霞摸爨按零褥篱竣浚进步。鬻产模鬟翁褰蘩者蠢率瞧遮 遮扩太。然搿，挨冀熬没诗、锱逢、试摸窳平隧霆多 糕魄逐窍较太差躐，主蒙畿凝程袋 耋l 震麓葶蔫、揍蠢邈壤秣、滚搂决鼗多，交赞震麓长警方囊e 避凡年，我晷婺料门鬻搭救又一次获樗了避猛发黢靛枫潺，现嚣形艘了蝴擞麴行娥 囊溪。撂鸯荚绶诗擐瀵，截壹餮2 0 0 4 冬霉簌，我鏊骧褥雾墅挺产罴熊锩鬟薰速2 5 0 万睫，塑料门褰产熬销爨鐾迭2 。3 援警方洙，占全黧门整盛弱总爨熬3 0 。鞭诗委爨 嚣按盛攘蕊燕产藏楚髓萋霆艇门霪簿邂熬发爨瑟发震。溪蘩鬣蠹器影袋了一是魏揍器攥 爨产妲驮伍，基本上嶷璇了溅趣模县麓产纯，健与霪多 毙迸拳警还定黔差躐。 餐蘩，c a d c a 慧搜拳鬻其越暴越离熬餮藤羧篷瑟戏舞垒烂熬爨餐技拳。警嚏熬黎 燃注射摸c a d c 矗m 披术已趋予戏熬，器露毒年务蕊燕钝抟软 牛。然嚣握料冥型糕撼出摸熬 c a d c 氍技术还凳予嚣聚越步黔驳。 斌汲交漶秘搜大学陈定方教授、学科睫谴簿艨c a d 辨教研究实验爨、逡云港七一六 磺炎掰予1 9 9 6 冬舍彳乍开发了鐾塞缴必灌嚣粼“蘩糕爨篓 耪捺爨骥鹫8 他c a d c a 耩絮 统”，建立想料髯型树挠出模c a d c 蝴的总体框絮，摊开发了相应的计薄枫程胯。其母 爨嚣安溪錾辩：霉型封簸瑟霓袋造型系缎；舅型材裁瑟敬特蛙诗冀；戳雾鍪! 秘麓鏊型熬裂 燕缎装造型设计；型誊重及史辫零l 牛的三维造型鄹动瓣设计；塑料异型挝接出模口模的竣 嚣；鎏褥舞羹辑凌鍪f 模黩竣i t , 磐辩暴型器揍出摸装诗爨专家系统；爨辩搀型捞菸窭过 程的仿真；骥料舅型材定型横热乎缀设计；黧j | | i 舅挺：| 才工憩设计；辍料异型越线切割枫 撵王数控壤稔；辇辩彝型耪数控锸、镜、螳黪绫摇；越立个遴爝熬熊逶套未来骚蠢模 其的开发系统 6 】。 台g 曩工照大学鹃寒嚣凑、歪浇掇璐究了塑燃舅型材挤懑定型模长度鹣计冀方法觏定 鍪i 套冷却承邋分布的激学模戮 7 ，并探讨了建立流道优化数举模测的肖荚问粼。 大逶遴王大学戆赵爨耀等入麸分凝塑辩异型越捺匙壤戮究静熟点秘发鼹方恕入季， 舒对雄一熔体中窭型树，对烫瓣异蓬材挤出模c a d 系统的关键技术进行了系统的研究， 并鱼疆裁了穗瘟秘c a d 系统潮。在分辑捺出模设诗嚣剥鲍基锻之上，建立了塑料髯型 耪挤出棱c a d 系统瀚总体德藤。避一步明确了稽皮的功能划分。通道对修模数据的收 黎、分类、分耩，蔽大鍪嬲缀数霆瘁o r a c l e 蔻屠，建立工糕数据瘁。礤究了常贝塑 籽弄摄材质鬟缺陷的产生原因，并且输出了裙施的解决对策。 一5 一 基于曲面重构技术的塑料异型材挤出模具制造技术研究 在计算机技术、高速c n c 机床和新工艺的推动下，塑料异型材挤出模正在从传统技 艺型制模阶段发展到以计算机技术为中心的高速化、自动化、高精度化的制模新阶段， 质量也有明显提高。 从模具工业角度来看，塑料异型材挤出模技术从设计、制造到试模等技术水平都有 大幅度提高。模具设计正在向成熟经验理论化、理论知识系统化方向发展，并逐步采用 计算机辅助设计。目前，在塑料异型材挤出模c a d c 蛳技术方面已有较好成果，并向智 能化c a d c a m 方向发展。对模具材质与热处理要求的提高，使模具具有了较高的耐磨性 和较长的使用寿命。随着c n c 机床发展，一些适合挤出模生产的加工中心，专用数控机 和电加工设备已达到较高水平，有些企业正进行塑料异型材挤出模的柔性制造系统和塑 料异型材挤出模c i m $ 研究。塑料异型材挤出模的试模主要靠经验。现在一方面部分模 具厂开始建立试模基地，另一方面正在通过计算机仿真分析，在计算机上进行试模修模 研究，试模次数已明显减少。 11 2 国产挤出模与进口挤出模的比较 我国挤出模技术虽然一直紧跟进口的最先进的挤出模产品技术，取得了长足的进 步，却始终存在着一定的差距，尤其对于严格质量要求，大规模产量的异型材生产，还 要不惜六七倍甚至十几倍的价格，购买进口的挤出模，而国产模具仅用作一些辅型材或 不常用的主型材模具。原因是相对于进口的先进挤出模来说，一些国产挤出模使用性能 不稳定。 1 使用性能不稳定是国产挤出模需要改进的主要方面 使用性能不稳定，主要反映在以下几个方面： ( 1 ) 在挤出生产过程中，型材尺寸上下波动过大，往往超出严格的质量控制范 围，造成次品或废品。更有一些挤出模在生产中出现“喘气”现象( 牵引不稳定，型材 发生抖动) ，严重时造成生产的停顿。 ( 2 ) 挤出模在使用一段时间，一周或二、三个月以后即开始出现某些变化，模头 出料的变化常造成型材壁厚均匀性变差，型材尺寸超差出现的频率也开始增大。 ( 3 ) 一些挤出模往往只适宜在某条生产线上使用，调换挤出生产线后，废品率就 大幅度增加；另外，它们对原料配方的批次变化也特别敏感，常因此造成停机拆模，严 重影响正常的型材生产。 ( 4 ) 稳定性差还表现在挤出模生产的产品性能上，主要是造成一些型材低温冲击 性能不好，弯曲度过大。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 定位精度差，零部件易脱落，操作不方便，也是一些国产挤出模稳定性差的 一个方面。 2 一些国产挤出模在设计方面的不足是使用性能不稳定的主要原因 挤出模使用过程中的不稳定的主要原因是设计理念上的差异 9 ，主要包括以下几 个方面： ( 1 ) 模头流道最小内横向流动的设计上，一些国产模具至今仍然沿用“压缩比” 的概念设计模头流道。虽然不少模头也采用了进口挤出模头常有的“单独供料”和“流 道阻隔”等措施，但由于没有总体的横向流动最小化设计，所以只是对局部起到了减少 横向流动，稳定料流的作用，而且在采用的位置和结构形式上，也还有不合理的地方。 ( 2 ) 离模型坯多重作用的计算，对于所挤出的中空薄壁的异型材型坯来说，其所 受到的牵引和冷却收缩的作用是以外形为基础的，而其所受到的出口膨胀作用是以壁厚 为基础的，最终的形状是这三种作用的线性叠加( 当然也要考虑局部结构的工艺性处 理) 。这与一些国产挤出模口模尺寸的简单选取是有很大差别的。 ( 3 ) 型坯均匀缓冷的设计，分析新近进口的挤出定型摸，可以明显地看出，进口 挤出定型模设计所追求的主要目标已是冷却成型的均匀性。在型材大面上尽量采用s 形 循环冷却水道，每级定型模仅设一个入水口，而且特别注重对于异型材沟槽内部的冷 却，而一些国产挤出模设计多条进水管路，一味追求强冷却。从这里可以看到，进口挤 出模挤出的型材低温冲击性能比较稳定是完全可能的。 ( 4 ) 型坯冷却定型过程变形规律的设计，进口定型模型腔尺寸的设计，不但考虑 到了型材各个部位冷却不均所引起的变形，而且还考虑到了型材壁外表面直接接触模腔 壁先冷却，而内表面必须通过外表面传热后冷却的情况。这样所造成的冷却不平衡将引 起的型材外形的变形。这种变形肯定是和定型模的结构、牵引速度和型材壁厚有直接关 系的。定型模型腔尺寸的设计必须符合这一变形规律的要求，才能稳定地生产出高质量 的型材，而仅采用真空吸附下的强制冷却，结果必然是造成型材在尺寸偏差和残余应力 方面的不稳定因素增加。一些国产挤出模，在这方面仅以“反翘量”或“反变形量”作 出局部处理，而在按照变形规律的要求全面设计方面，与进口的先进挤出模存在较大的 差距。 一7 一 基于益面重构技术的塑料异型材挤出模具制造技术研究 1 2 反求工程技术在模具制造中应用 。 1 2 1 反求工程技术的主要流程 目前随着c a d c a m c a e 等先进技术在各个领域的深入应用，新技术发展对企业的 设计层提出了更高的要求。而维系由计算机和n c 组成的先进制造技术体系的关键产品 的信息模型，合理、完备、无二义的产品模型贯穿c a d 、c a m 、c a e 及p d m 整个过程，是 实现企业敏捷、柔性制造的基础 1 0 。 传统几何模型的建立是基于产品或构件的功能和外形，由设计师在c a d 软件中构造 的，即为正向工程。但在飞机、汽车、工艺美术品和模具等行业的设计制造过程中，此 类产品通常由复杂的自由曲面拼接而成，在概念设计阶段很难用严密、统一的数学语言 来描述，因此，许多产品初始模型是通过反求工程技术来获得。反求工程技术广泛用于 飞机、汽车、模具等制造领域，特别是一些具有复杂型面的零件的设计和加工。 反求工程是根据零件( 或原型) 生成图样，再制造产品。广义的反求工程包括形状 ( 几何) 反求、工艺反求和材料反求等诸多方面，是一个复杂的系统工程。本文中所指 的反求工程是实物反求，它是将实物转变为c a d 模型相关的数字化技术、几何模型重建 技术和产品制造技术的总称。反求工程是通过对现有产品原型数字化后形成c a d 模型的 一个推理、逼近的过程，一般分为四个步骤 i i ，如图1 1 所示： 1 产品原形的数据采集 通常采用三坐标测量机( c ) 或激光扫描等测量装置来获取零件原形大量表面点 的三维坐标值，即“点云”数据。 2 几何特征的提取 按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取产品 原形所具有的设计特征。 3 c a d 模型的重建 将分割后的三维数据在反求c a d 系统中分别作表面模型的拟合，并通过各表面片的 求交与拼接构建零件c a d 模型。 4 模型的检验与修正 采用根据获得的c a d 模型加工出样品，再重新测量，来检验重建的c a d 模型的精度 是否满足要求。如不满足要求，对重构曲面进行修正。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 反求工程的技术流程 n 9 1 1t h e f l o wc h a r to fr e v e r s e e n g i n e e r i n g 通过反求工程所生成的3 d 模型，利用现有的先进的c a d c a m 技术 1 2 ，进行新产 品的工艺设计、模具设计、模具制造及质量检验等后续生产过程。我国塑料异型材挤出、 模具目前还处于发展的初期阶段，无论新产品模具设计，还是新产品模具仿制，主要是 以国外进口模具为设计与生产的主要依据，因此成功地应用反求工程技术对我国塑料异 型材挤出模具发展具有重要的现实意义。在原有的c a d c a m 系统基础上，建立完善的反 求工程系统，并使之成为在网络下集成一体化的系统，必将能够提高模具设计水平，大 大缩短现有的模具生产周期。目前，反求工程在全国各地得到广泛的应用，取得了可观 的经济效益。而当今制造业的许多生产厂家也迫切需要应用反求工程技术解决生产中的 实际难题。塑料异型材挤出成型过程非常复杂，是一个连续的模塑成型过程，涉及到高 分子材料熔体流变学、热力学、摩擦学、机械学等多种学科，加之挤出异型材截面复杂 多变，使得挤出模的设计相对于其它塑料成型模具的设计更为困难。因此，塑料异型材 挤出模具正面设计难度大，设计周期长，迫切需要一门新技术来解决这个问题。反求工 程技术适应这一需求应运而生，它在模具设计制造中所展现的能力已证明是国产化国外 先进模具的重要手段。 1 2 2 反求工程技术国内外研究概况 1 测头半径补偿 反求工程中，高效、高精度地实现样件表面的数据采集，是其实现的基础和关键技 术。在对产品进行表面数字化时，采用的表面数据采集方法可分为接触式数据采集和费 一9 一 基于曲面重构技术的塑料异型材挤出模具制造技术研究 接触式数据采集两大类。接触式测量是广泛采用的数据采集方法。虽然接触式测量方法 的精度比较高，但在测量时还存在着两类测量误差。利用三坐标测量机进行测量时，当 测头与被测量件接触后，一方面测量机继续沿测量方向移动，另一方面测头与被测量件 之间的接触力不断增大。当接触力超过某一预设的阈值时，测量系统产生一触发信号。 这一触发时刻被测量系统认为是测头与被测量件的接触时刻。因此，在实际接触时刻与 触发时刻之间，测量系统的移动就引入了测量误差。这一类误差被称为p r e t r a v e l 或 l o b i n g 误差。该类误差主要是由测量头连杆的变形引起的，其大小受测量速度制约。 文献 1 3 对该类误差与测量速度的关系进行了分析。 另一类误差是称为测量半径误差。用三坐标测量机进行测量时，得到的坐标数据是 测头中心的坐标值，而非测头与被测量件接触点的坐标值。由于测头半径一般为i m m 左 右，如不直接测量的数据进行补偿，将产生很大的测量误差。测头半径补偿的主要问题 是每个测量中心点对应的曲面法线是未知的。 s u h 等 1 4 提出三点法来估计测量点处的法线方向。该方法是在被测点的周围测量 三个点。在距离足够近的情况下，可以认为这三点构成的平面法线代表了被测点的法线 方向。在应用时，该方法对比较平坦的曲面效果好。m a y e r 等 1 5 先利用k r i g i n g 插值 法拟合测头中心曲面s p ，然后在测头中心曲面上得到相应点的法线方向，利用这些法 线方向和测头半径值就能够得到每个测点的偏移值。最后，对偏移后的测点数据再次利 用k r i g i n g 插值法得到补偿后的曲面。m e n q 1 6 提出了测量正当方向和非正当方向的概 念。当测量方向与被测点法向相同时，被认为是正当的测量方向，其他方向对该点来说 是非正当方向。当以正当方向进行坐标测量时，直接利用测量方向就可以进行正确的补 偿。但由于正当方向是无法事先确定，他们提出了一种迭代测量的方法，通过反复测量 来不断修正测量方向，提高了测量的精度，但测量时间也相应增加。鉴于此方法要经过 多次测量过程，c h i a n g 提出了一种软件计算的方法，通过迭代计算反复修正补偿中的 法线方向和补偿曲面。该方法只需要进行一次测量工作，可以认为是m a y o r 方法的一种 改进。另外，a o y a m a 1 7 等开发了一种球形电势计的传感设备。该传感器能够反馈出测 头球面和被测量件接触点在测头上的位置，从而直接得到被测面在接触点的法线方向。 其不足之处是被测件必须是导体，因为被测量件是整个电势计的负极，而且使用该设备 前需要做大量的初始标定工作。 在测量定位中也有不少关于间接测头半径补偿的研究工作。在该类问题中，由于被 测量件的c a d 模型是已知的，a i n s w o r t h 1 8 等先利用线性最小二乘拟合得到被测量面 一1 0 一 大连理工大学硕士学位论文 以测头半径为间隔的等距n u r b s 方程，再利用i c p 算法得到测量点在测量面上的对应位 置。注意到测量时测头中心是处于被测面的等距面上，所以该方法间接地补偿了测头半 径误差。但由于n u r b s 曲面的等距曲面已被证明不再是n u r b s 曲面，a i n s w o r t h 文中的 最小二乘拟合曲面必然会带来新的误差。k i m 也采用了这种构造等距面的方法。 2 曲面重构 曲面重构一直是反求工程中的重点研究内容 1 9 。目前，四边域参数曲面( 特别是 b 样条曲面和n u r b s 曲面) 构造方法的研究最为成熟，其他特殊类型的参数曲面，如回 转面、扫掠面的重构方法也有一定的研究。曲面重构的基本步骤是离散点参数化和形状 控制因子修正，其中初始参数化是一个关键环节，对于散乱数据，等提出的基曲面 ( b a s es u r f a c e ) 投影法应用最为广泛，另一种典型方法是三角网格二维映射法，即用 3 d 三角网格逼近数据点云，然后将其变换为2 d 三角网格( 保持拓扑关系不变) ，对平 面域的网格顶点定义参数值得到其对应的3 d 顶点的参数化值。为提高重构曲面的质 量，通常还须在优化目标函数中加入刿i 顷项，w e i s s 等提出的算法能自适应地调整矧j 厦 项的权重并约束弱控制点( 由于某些区域数据点过于稀疏而导致) 的影响。对于大规模 散乱数据的曲面重构，一些研究者倾向子两步法拟合方案，首先用简单的方法快速构造 插值曲面，然后根据曲面局部的曲率值自适应地抽取采样点，生成矩形拓扑网络，最后 再运用曲面拟合方法得到n u r b s 曲面。 3 反求工程软件 随着反求工程及其相关技术理论研究的深入进行，其成果的商业应用也受到重视， 而反求工程技术的工程应用的关键是开发专用的反求工程软件。专用的反求工程软件 有： ( 1 ) i m a g e w a r e ：美国s d r c 公司开发的著名反求工程软件，广泛应用于汽车、航 空、航天、家电、模具、计算机零部件领域。主要产品有：s u r f a c e r ：反求工程工具和 c l a s s l 曲面生成工具；v e r d i c t ：对测量数据和c a d 数据进行对比评估：b u i l di t ：提 供实时测量能力，验证产品的制造性；r p m ：生成快速成型数据：v i e w ：功能与 v e r d i c t 相似，主要用于提供三维报告。s u r f a c e r 是i m a g e w a r e 的主要产品，主要用来 做反求工程，它处理数据的流程遵循点一曲线一曲面原则，流程简单清晰，软件易于使 用。v e r d i c t 是i m a g e w a r e 的检验模块，可检测数字形状以及物理样机的三维模型。 ( 2 ) p t c 公司软件：p t c 公司的产品中，可以用于处理测量点数据，并进行反求曲 面设计的有：i c e ms u r f 、p r o m e s i g n e r ( c d r s ) 、p r o s c a n t 0 0 l s 。它们各具特点，适用 基于曲面重构技术的塑料异型材挤出模具制造技术研究 于不同的应用领域。i c e ms u r f 是一个a 级自由曲面的构造工具，它的最主要特点是直 接构造曲面( 无需先构造曲线) 和曲面质量的动态评价( 曲面调整中的曲面诊断结果动 态更新) ，但要求测量数据比较完整；p r o d e s i g n e r ( c e r s ) 是一个工业设计的造型模 块，主要用于概念设计，其特点是可以非常方便的调整各条型线，从而得到设计师想要 得到的结果：p r o s c a n t o o l s 是一个完全集成于p r o e n g i n e 职中的一个可用于反求工 程的模块，它具有将输入曲面、面组、三角测量数据或原始数据转换为可制造的模型的 功能，可以通过测量数据获得光滑的曲线和曲面。 ( 3 ) c o p y c a d ：d e l c a m 公司开发的一个功能强大的反求工程系统，利用c o p y c a d 用户可以快速编辑数字化数据，并能做出高质量、复杂的表面；能完全控制表面边界的 选择，自动形成符合规定公差的平滑、多面块曲面，还能保证相邻表面之间相切的连续 性。应用范围：从实物模型生成c a d 模型，用于分析和工程应用；更新c a d 模型以反映 对现有零部件或样品的修改情况；将过去的模型存入c a d 文件中，收集数据用于计算机 显示和动画制作。 ( 4 ) m i c i c s ：比利时m a t e r i a l i s e 公司开发的运行在w i n d o w sn t 9 5 9 8 环境下的 高度集成的三维图像处理软件，主要用于处理断层扫描数据，它能在几分钟内将c t 或 者m r i 数据转换成三维c a d 或快速成型所需的模型文件。 ( 5 ) r a p i d f o r m ：韩国i n u s 公司出品的全球四大反求工程软件之一，r a p i d f o r m 提供了新一代运算模式，可实时将点云数据运算出无接缝的多边形曲面，使它成为3 d s c a n 后处理之最佳化的接口。r a p i d f o r m 也将使您的工作效率提升，使3 d 扫描设备 的运用范围扩大，改善扫描品质。 ( 6 ) g e o m a g i cs t u d i o ：美国r a i n d r o pg e o m a g i c 软件公司推出的反求工程软件。 该软件是目前市面上对点云处理及三维曲面构建功能最强大的软件，可轻易地从扫描所 得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为n u r b s 曲面。 ( 7 ) r e _ s o f t ：浙江大学开发的反求工程软件。r e _ s o f t 具有复杂曲面快速c a d 建 模、测量分析与评价等功能。可将复杂曲面模型快速转化为工程设计概念或设计模型， 一方面为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供充足的信息：另一方面为充分利 用先进的c a d c a m 技术对已有的机械产品进行再设计工程服务。 1 2 大连理工大学硕士学位论文 1 2 3 存在的问题 从前面的分析可以看出，随着我国塑料门窗行业的一次次迅猛发展，塑料异型材挤 出技术也获得了飞速发展。将反求工程技术应用到挤出模制造中仍然有一些关键问题需 要解决，主要表现为： 1 反求工程过程中基于用参数曲面获得偏距曲面，实现测头半径补偿。但是对于 处理模具型腔大量测量点，很难直接建立参数曲面，也就无法等到偏距曲面。 2 反求工程数字化模型时，首先由于三坐标测量机有一定的测量范围，挤出模尺 寸大于该测量范围就必须通过多次测量来完成。其次，挤出模的测量区域是内部型腔， 在部分区域测量探头受到几何形状的干涉阻碍以及不能触及其表面。准确获取挤出模内 部型腔表面数据显得尤为重要。 3 c a d 模型重建都是通过插值或拟合一系列离散点，利用原型的几何及拓扑信 息，构建一个近似模型来逼近原型，如何有效地重建产品模型，国内外学者从不同的侧 面提出了各种模型重建技术。但这些研究主要都集中在曲面拟合的方法上，不论是基于 曲线或是基于曲面片的直接拟合的模型重建方法，都将模型重建分割为孤立的曲面片模 型，忽略了产品模型的整体属性。塑料异型材挤出模是一种比较特殊的模具，其内部型 腔表面模型具有整体属性。 为了缩短与国外塑料异型材挤出模的差距，国内许多科研单位和企业在挤出模方面 做了大量工作，国家在政策和资金方面也给予很大支持。反求工程技术在模具领域的广 泛应用，越来越突现其在缩短模具设计周期、提高模具制造质量及延长模具使用寿命等 方面的无法替代的作用。在塑料异型材挤出模领域，挤出模的设计制造不仅依靠经验积 累，而且要有效的借鉴国外先进模具设计思想。我国挤出模存在挤出速度低、成型质量 差，试模次数多、修模频繁等缺点，因此研究国外塑料异型材挤出模的反求工程技术具 有较为深刻的理论和现实意义。 1 3 课题提出及本文的主要工作 1 3 1 课题提出 从对国内外挤出模发展现状及差距的分析中，认识到了对国外挤出模设计制造过程 进行反求的重要性。在挤出成型技术中，模头设计是一个重要环节，挤出模头的设计影 响着生产效率、制品精度、模具寿命、模具生产周期和模具成本等诸多因素，因而研究 挤出模头反求设计制造就显得尤为重要。传统工业生产中挤出模头的设计一般采用 “t r a i la n de r r o r ”的方法，该方法需要反复进行试模和修模，使得成本增加，制造 1 3 基于曲面重构技术的塑料异型材挤出模具制造技术研究 周期大大延长。由国外进口模具生产的塑料异型材产品质量稳定可靠，而且无需频繁修 模。所以对国外进口模具消化吸收，进而开发具有本国特色的创新技术有着重要的理论 和现实意义，本课题正是在这一背景下提出的。 本课题以德国进口的挤出模为研究对象，采用反求工程技术，研究了挤出模头的设 计与制造，该研究成果可缩短挤出模设计制造周期，降低生产成本，提高产品质量。同 时对塑料异型材挤出模反求过程中的关键技术给出了具体实现方法和算法步骤。该方法 成功解决了塑料异型材挤出模头的反求制造难题，同时对反求工程在模具行业的应用具 有一定的借鉴意义。 1 3 2 本文的主要工作 本文首先对塑料异型材挤出模反求工程系统流程进行了分析，然后对塑料异型材挤 出模反求工程的关键技术( 测头半径补偿、测量数据多视对齐、扫掠曲面模型重建技 术) 进行研究。 依据课题的上述研究内容，论文各章的研究内容如下： 第一章：主要是介绍课题的工程背景，塑料异型材挤出模及其c a d c a e 国内外研究 概况和发展趋势，反求工程技术方面国内外研究成果及较为成熟软件，以及目前存在的 差距和问题。 第二章：针对反求工程技术在模具领域中的应用，