基于逆向工程技术的电风扇外壳的成型工艺及模具设计开题报告

毕业设计开题报告 题目：基于逆向工程技术的电风扇外壳成型工 艺及模具设计 学院：机械工程学院 专业：材料成型及控制工程 学生姓名：吴红丹学 号： 200802050427 指导老师：孙孝文李东锋 2012 年3 月25日 毕 业 设 计 开 题 报 告 1文献综述：结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰 写 2500 字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。 文文 献献 综综 述述 0 0 引言引言 随着模具技术的迅速发展，在现代工业生产中，模具已成为各种工业产品不可或 缺的重要工艺设备。模具成型具有优质、高产、低消耗、低成本的特点。因而在国民 经济各个部门中得到了及其广泛的应用1。注塑模具是模具中的一个非常大的部分， 研 究其设计、制造过程非常有实际的工程应用价值。随着世界工业制造及设计技术的进 步及各国经济相互影响日趋加大,人们对产品的各方面要求也越来越高。产品不仅要有 方便实用的先进功能,还要具备美观的造型和个性的外观。而且外观和造型的好坏已成 为产品的重要竞争因素。常会遇到的难题是，客户给你的只有一个实物样品或手板模 型，没有图纸或CAD数据档案，制造模具非常复杂，用传统方法设计加工产品，时间长 而效果不佳，甚至根本无法成功。而逆向工程技术为这一难题提供了一个一体化的解 决方案：样品数据产品，这是一个高效的三维制造路线。逆向工程技术广泛 的应用在设计和制造中2。 对于电风扇外壳这类家电产品，在我们的生活中随处可见，市场的需求量很大， 结构也非常普遍。现在市场上对电风扇外壳在外形美观、结构改良的要求越来越高3。 所以采用逆向工程对电风扇外壳进行成型工艺分析及注塑模具的设计，有利干设计人 员快速消化、吸收原产品的优点，在原产品的基础上进行各种创新设计，设计出更适 合市场的产品。而且，其在产品设计中的应用可以缩短新产品的开发周期，降低设计 成本，提高设计质量和设计水平，从而增强企业竞争力4,5。 1 1 逆向工程技术概念及特点逆向工程技术概念及特点 所谓逆向工程技术是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有 CAD 模型的情 况下，按照现有零件的实物模型（或称为零件原形） ，利用各种数字化技术及 CAD 技术 通过软件构造曲面或实体使之成为所需的三维数据模型，以便进行二次设计或者是直 接加工6。从这个意义上说，逆向工程在工业设计中的应用已经很久了。早期的船舶工 业中常用的船体放样设计就是逆向工程的很好实例。随着计算机技术在制造领域的广 泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向 工程技术关注的主要对象。通过数字化测量设备（如坐标测量机、激光测量设备等） 获取的物体表面的空间数据，需要利用逆向工程技术建立产品的三维模型，进而利用 CAM 系统完成产品的制造。 因此，逆向工程技术可以认为是将产品样件转化为三维模型 的相关数字化技术和几何建模技术的总称。逆向工程的实施过程是多领域、多学科的 协同过程4。 逆向工程技术在模具行业中的应用从逆向工程的概念和技术特点可以看出，逆向 工程的应用领域主要是飞机、汽车、玩具和家电等模具相关行业。近年来随着生物、 材料技术的发展，逆向工程技术也开始应用在人工生物骨骼等医学领域。但是其最主 要的应用领域还是在模具行业7。 由于模具制造过程中经常需要反复试冲和修改模具型 面。若测量最终符合要求的模具并反求出其数字化模型，在重复制造该模具时就可运 用这一备用数字模型生成加工程序，可以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，特别是以生产各种汽车、玩具配套件的地区、企业有着十分广 阔的应用前景8。 2 2 逆向工程实现过程的关键技术逆向工程实现过程的关键技术 由建立实物 CAD 模型，要求首先对其实物表面进行数字化处理。由此可见，逆向 工程的关键技术有两个方面：一方面是实物模型表面数据获取技术，即数字化扫描技 术；另一方面是产品建模技术（曲面构造技术）9。 （1） 数字化扫描技术 实物模型表面数据获取的数字化过程就是数字化扫描过程。扫描时采用模拟式或 非接触激光扫描测头沿着未知模型的表面连续扫描。采集模型表面的坐标值，把采集 的数据存入计算机中。根据模型制造的需要，既可以对扫描模型进行阴阳转换、比例 缩放、镜像、旋转、平移以及根据用户设定自动生成分型面等处理，然后生成需要的 加工程序，同时还可以生成不同格式的数据，可以进行在处理10。 （2） 产品建模技术 当零件圆形数字化后形成一系列的空间离散点，生成原型的模型就是要在这些离 散点基础上，应用计算机辅助几何设计的有关技术，构造零件原型。通常对于含有自 由曲面的复杂型面，用一张曲面来拟合所有数据点是不行的。一般首先按照原型所具 有的特征，将测量数据点分割成不同的区域，各个区域分别拟合出不同的曲面，然后 应用曲面求交或曲面间过渡的方法将不同的曲面连接起来构成一个整体11。 3 3 国内国内外逆向工程技术外逆向工程技术的发展的发展现状现状 早在20世纪80年代，日本名古屋工业研究所和美国UVP公司、美国3M公司提出了逆 向工程技术 (RE)并开始研制开发。一些重要的国际和国内学术会议都将逆向工程及相 关技术作为一个重要学术议题。逆向工程技术是新产品开发和消化吸收先进技术的重 要手段之一12。因此，各国成立逆向工程技术系统研究中心，同时相应的设备制造公 司也在各国建成，政府还发展和支持大规模的材料供应商和相应的专业软件公司，再 加上从事这些项目众多的教育、科研机构和提供赞助的基金会以及大量快速成型设备 的制造者。这就形成一个强大的集体。这对逆向工程技术发展、应用创造了很好的发 展空间。在英国，测量设备CYCLON2高速扫描仪的精准度达0.02mm并可进行精细扫描； 而德国的ATOS扫描仪则可随意绕零件移动，非常灵活；日本的PIX-30网点式扫描仪更 具高速、功能复合化的特点。在数据软件的处理方面，各国的软件应用水平在不断提 高，处理手段也在不断丰富，软件操作趋于简单化，可以根据测量数据快速构造出多 张连续曲面模型，并具有较精准的误差检测功能。另外，在CADCAM软件开发上，开 始集成逆向工程模块。 如： UG NX5中的PointCloud 、Pr-e软件中的ProSCAN功能7,13。 我国对逆向工程的研究和国外比起来起步较晚，经费投入也较少，创新性的研究 也很少。直到20世纪90年代中期。逆向工程才在我国得到了迅速的发展与推广。目前， 国内外有关逆向工程的研究主要集中在几何形状的逆向，即重建产品实物的CAD，称为 “实物逆向工程”。国内在逆向工程软件方面的研究主要集中在高校，产品主要是高 华CAD、Re-sofe和QuickForm等。其中QuickForm是国内开发的较好的逆向工程软件。 随着逆向工程快速发展，我国在数据处理、曲面片拟合、几何特征识别、商用专业软 件和坐标测量机的研究开发上也有很大进步。我国在数据测量方面发展面向逆向工程 的专用测量设备，能够高速、高精度的实现产品几何形状的三维数字化，并能进行自 动测量和规划路径； 在数据的预处理方面，针对不同种类的测量数据，开发研究一种 通用的数据处理软件，完善改进目前的数据处理算法； 能够控制曲面的光顺性和能够 进行光滑拼接； 在测量技术、模型重建技术、基于网络的协同设计和数字化制造技术 等集成技术也日渐突破。 4 4 注塑模具发展现状及展望注塑模具发展现状及展望 注塑成型技术作为塑料加工成型方法中最重要的方法之一，已经得到相当广泛的 应用。据统计，注塑制品约占整个塑料制品的 2030，而在工程塑料中有 80以 上的制品是采用注塑成型加工的14。但随着塑料制品应用的日益广泛，不同的领域对 塑料制品的开头精度、功能成本等方面提出了很多更高的要求。因此传统注塑成型技 术越来越不能满足制品的要求。所以现在的注塑成型技术更多的是跟现代先进制造技 术结合，如快速原型技术、CAD/CAE/CAM 技术、逆向工程等，这也正是以后的发展方向 15,16。 5 5 基于逆向工程的注塑模具设计基于逆向工程的注塑模具设计 在注塑模具的开发过程中，通常的流程是设计人员依据产品图纸绘制三维模型， 并根据零件材料的性质、设备的要求进行工艺修改。经计算机软件处理后生成数控加 工设备的 NC 文件。这种模式成为预定模式。在实际生产中，在只有实物样件，没有可 参考图纸的情况下，由于注塑模具个面之间通常采用圆滑过渡，部分制品的外形是有 多个复杂的不同空间曲率的曲面连接而成，用传统的方法很难测量，无法采用预定模 式进行设计。 如果没有 CAD 数字模型就无法使用 CAD/CAM、多轴加工中心等新进的加工 手段。所以设计人员需要通过一定的途径测量实物信息并转化为 CAD 数字模型。这就 应用到了逆向工程17。 在基于逆向工程的注塑模具设计中，对于一件塑料制品电风扇外壳，首先采用扫 描测量参考模型后得到点云图。然后在逆向工程软件Imageware中建立电风扇外壳的基 本面与过渡曲面。将得到的外部曲面导入UG中，按照制品结构的性质与功能，进行内 部结构设计18。在得到制件的3D模型后，即可开始设计每个零件的注塑模具。首先， 应该确定模具的设计方案，也就是确定模具的基本形式，如采用一模几腔、浇口的基 本形式、推出机构等。在设计过程中，应结合Moldflow分析，比较优劣。模具方案确 定后，即可进行模具的详细设计在这个阶段，主要是在3D软件中，创建模具各个零件 的模型。建立分型面，并用分型面分割工件，就可以得到型芯和型腔的模型，然后调 入相应的标准件，最后进行模具的后处理，建立浇注系统和冷却系统。在设计过程中， 应采用Moldflow软件优化浇注系统和冷却系统的具体参数，完成模具的设计19。 6 6 小结小结 目前，模具行业越来越多的业务是需要根据客户提供的样件制造出模具。基于原 型或事物的逆向工程引其快捷的开发方式，特别是对于没有原始几何信息的零件。逆 向工程是完成零件精确几何造型的重要手段。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。随着计算机技术的发展，逆向工程技术和先进制造技术 的结合日益紧密，而基于逆向工程的塑料产品的成型工艺及模具设计可以极大的缩短 新产品的开发周期，降低设计成本，提高设计质量和设计水平，对于制品的设计与制 造具有一定的借鉴意义。 参考文献参考文献 1于波. 我国模具材料的发展概况及其选用J.热处理技术装备.2009. 2田涛,陈扬,史廷春.逆向工程与新产品设计J.河北理工工学学报.2006. 3谭煜民.电风扇的现代设计方法及发展现状J.沿海企业与科技.2009. 4尚广庆等. 基于逆向工程的注塑模具快速设计J.机械设计与制造.2011.10. 5项建云等. 基于逆向工程的注塑模具制造与技术J.模具设计.2008.5. 6付建军.模具制造工艺M.机械工业出版社.2007. 7祖文明.逆向工程技术的应用及国内外研究的现状及发展趋势J.价值工 程.2011. 8李彬.逆向工程在模具工艺中的应用研究J.煤矿机械.2008. 9张瑞,李建华.逆向工程的关键技术及其最新发展J.中国重型装备.2008. 10 许志钦等.逆向工程技术三维激光扫描测量D.天津:天津大学精密测量技术及 仪器国家重点实验室.2001.5. 11 马淑梅,陈彬，张曙.基于逆向工程的快速模具制造J.同济大学学报.2001. 12 周立萍,陈平. 逆向工程发展现状研究.计算机工程与设计.2004. 13Tamas Varady;Ralph Martin;Jordan Cox Reverse Engineering of Geometric Mo dels-an Introduction 1997. 14 叶久新等.塑料成型工艺及模具设计M 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模具设计方法的一次进步与创新。改革开放以来，随着国民经济的高速发展，市场对模 具的需求量不断增长。而且随着科学技术的不断进步，现代工业产品的生产日益复杂与 多样化，产品性能和质量也在不断提高，因而对模具提出了更高的要求。基于逆向工程 的模具设计方法解决了当客户给你的只有一个实物样品或手板模型而没有图纸或CAD数 据档案时完成模具的设计的难题，逆向工程技术为这一难题提供了一个一体化的解决方 案：样品数据产品，缩短产品的开发周期，降低设计成本，提高设计质量和设 计水平，这是一个高效的三维制造路线。 目前，逆向工程技术的重要性已经引起重视，得到了国内外学术界和商业界的广泛 认同。但是逆向工程研究作为软件工程中一个正在兴起的研究领域，在模具领域理论和 应用的研究都处于早期探索阶段，以下方面以后还有待于加强研究： （1） 需要继续开发用于普通逆向工程任务的工具和技术，特别是在数据逆向工程 领域。 （2） 提高逆向工程过程的可重复性，使逆向工程过程可定义、可管理及可优化。 要注重于提高逆向工程过程的自动化程度，开发实用的半自动化的工具。尽量使用工具 自动实现逆向工程过程的各部分功能，减少用户的负担。 （3）改善逆向工程工具的性能，使工具作为一项功能附加到成熟的开发环境中。工 具还必须容易使用，能够提供方便、有效的功能，吸引更多的用户。逆向工程工具只有 在使用过程中才能真正发现问题，得到更好的发展。 三、课题主要内容和要求三、课题主要内容和要求 1 1、课题主要内容、课题主要内容 如下图 1、图 2 分别为一台电风扇的外壳前半部分的三维模型的正面和背面。通过 图 1 电风扇外壳（正面） 逆向工程技术设计出生产该电风扇外壳的注塑模具。 （1）采用激光扫描技术完成电风扇外壳模型数据点的采集。零件原型的最初数字化 通常采用三坐标测量机或激光扫描机等测量装置获取表面点的三维坐标值。 （2）采用后处理软件完成数据点的处理,完成三维模型的重构。 零件原型数字化后 形成一系列的空间离散点，接下来就是要在这些离散点的基础上，应用计算机辅助几何 设计技术构造零件原型的CAD模型。 （3）完成注塑模具的设计。把三维建模的模型导入UG中，然后使用塑料模具设计模 块软件完成模具设计，然后进行改进和修正。 图 2 电风扇外壳（背面） 2 2、课题主要要求、课题主要要求 （1）对风扇外壳进行实体扫描，认真进行三维数据的测量及处理。 （2）进行三维建模是逆向工程设计关键的一步，认真的根据测量、处理的数据进行 三维建模。 （3）将模型导入 UG 软件模具设计板块中进行模具设计，建立正确的设计思想，尽量 结合生产实际，综合考虑技术性、经济性、实用性、可行性、安全及先进性等方面的要 求，严肃认真地进行设计。 （4）要求所设计的模具结构合理，零部件加工工艺性好，制造方便、造价便宜，装 配调整、维护维修方便模具使用效率高，安全可靠，使用寿命长，并在此基