（机械工程专业论文）基于re的快速模具制造技术研究.pdf

摘要 本文针对国内外反求工程的发展应用情况，以三坐标测量机为反 求工程中数字化设备的研究工具。以尽可能的使原始几何参数得到还 原为宗旨，对如何限定反求工程中的误差及快速准确的曲面建模进行 了深入研究。探讨了自由曲面反求中拟合精度和测量效率的问题，通 过数控实验平台实现了以自由曲面为主的模具产品模型实物反求及其 数控加工的c a d c a m 集成制造，围绕曲面建模、3 轴数控粗加工刀具轨 迹的生成进行了一系列的研究，主要包括以下几方面的工作： 1 针对测量过程中存在的误差，对三坐标测头、测量方式的选取、测 量步距的选择以及测量原理进行了研究，并提出基于点位探测模式 的新方法。 2 针对曲线、曲面造型理论在实际应用中存在的问题，利用三坐标测 量机对工业产品实物进行了描述和验证；采用不同方案进行了曲线 拟合实验，得出基于n u r b s 曲线曲面造型理论的优越性；同时研究在 p r o e 软件平台上以自由曲面为主的产品模型实物反求技术。 3 分析了当前曲面三坐标数控加工存在的问题，研究了基于m a s t e r c a m 软件平台上针对实际反求得到的毛坯零件的n c 编程及仿真，并最终 在数控铣床上加工出模型产品。 关键词：曲面建模，三坐标测量机，逆向工程，粗加工，刀具轨迹 a b s t r a c l t h ea r t i c l er n a i n | va i m e da th n m ea n da b r o a d d e , v e l n n i n 一，s r a h i sn f r a p i dp r o t o t y p i n g ，c o n s i d e r i n gh o wt op i c k u p u n b e k n o w ng e o m e t r i c a l p a r a m e t e re x a c t l yo fp r a c t i c a l i t ym o d e l ，u l t i m a t e l ys t r u c t u r i n gp r a c t i c a l i t y s a m p l e e s p e c i a l l yt ol i b e r t yc u r v e ds u r f a c e ，f o rp i c k - u p i n gp r a c t i c a l i t y g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r , f a c i n gp r a c t i c ea p p l i c a t i o n ，u s i n gd i f f e r e n tm e t h o d t of i n i s hc o n s t r u c t i o no ft y p i c a lc u r v e ds u r f a c e ，m e a s u r e dd a t ai su s e dt o d i f f e r e n tm e t h o do f r a p i dp r o t o t y p i n g i ti n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t ： 1 w es t u d ym a i n l yi na s p e c to fs e l e c t i o no fc m m p r o b e ，p r o g r a m m i n go f m e a s u r i n gt r a c k ，d e c i d i n go fm e a s u r i n gm o d ea n ds e l e c t i o no fm e a s u r i n g i n c r e m e n tt or e d u c et h em e a s u r i n ge r r o r e s p e c i a l l yw eb r i n gf o r w a r dt h e s c a l ep r o j e c to fi d e n t i f i c a t i o na n de x t r a c t i o no fs o l i ds a m p l ea n dp r e c i s e o r i e n t a t i o no fd i f f e r e n tf a c ep o s i t i o n ， 2 t h et h e o r ya n de x p e r i m e n to fc u r v ea n df a c em o d e l i n go fn u r b sw e r e e x p l o r e d a n dv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t a tt h es a m et i m e ，s o m eo ft h e i n d u s t r yp r o d u c t s w e r ed e m o n s t r a t e d a c c o r d i n g l y t ot h ec o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e 3 u s i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dm e a s u r e dd a t at os i m u l a t e o nt h eb a s i s o fs i m u l a t i n gt o p r o c e s sr a p i dp r o t o t y p i n g a n dn u m e r i c a lc o n t r o l p r o g r a m m i n gm a c h i n i n g v i a d i f f e r e n tm e t h o dt om a s t e r yr e l a t i o na n d d i f f e r e n c eo n ea n o t h e r 4 b a s e do nt h e3 - a x i sc o o r d i n a t em e a s u r e m e n tt om a c h i n ei r o nt o o l i n g ， a d o p te f f e c t u a lm e a s u r eo fc u t t i n gd o w n i r o nt o o l i n gm a n u f a c t u r ee r r o r , i m p r o v em a c h i n i n gp r e c i s i o no fs i l i c ag e l t h i si so fg r e a ts i g n i f i c a n c et o t h ep r a c t i c a lm a n u f a c t u r e k e yw o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ；r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；r a p i dt o o l i n g ；i r o n t o o l i n g ；s i l i c o ng e lm o l d 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业 大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：汤剑日期：2 0 0 6 年1 1 月1 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：2 0 0 6 年1 1 月1 0 日 一一日期：2 0 0 6 年1 1 月l o 日 浙江下业人掌t 樘f ! ! i ：学位论义 第一章概述 1 】引言 逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 也称反求工程，它是相对传统的设计而言。 传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，称之为e 向工程，而 逆向工程是从一个存在的零件或原型入手，首先对其进行数字化处理，然后进行 数据处理、曲面重建、构造c a d 模型等，最后制造出产品的过程。逆向工程技 术能快速建立新产品的数据化模型，大大缩短新产品研发周期，提高企业生产效 率。 随着计算机技术飞速发展，三维的几何造型技术已被制造业广泛应用于产品 及工业模具的设计、自动化加工制造及管理维护等方面。近年来，随着我国经济 的进一步发展，引进了不少国外的先进技术和设备，随之而柬的一个问题是如何 深入研究、消化、吸收这些先进技术，探索引进产品中的关键技术，然后在此基 础上改进、创新、开发出符合我国国情的先进产品，形成自己的技术体系，增加 自力更生、振兴经济的能力。逆向工程技术的研究正是在这基础上发展起来的。 当| ； ，世界各国在经济技术发展中，应用逆向工程消化吸收先进技术经验， 给人们有益的启示。据统计，我国百分之七十以上的技术源于国外，逆向工程作 为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大提高了生 产率。因此研究逆向工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高， 具有重大的意义。逆向制造技术主要用于实现快速、精确、无图纸、自动地进行 模具制造、样品复制以及复杂零件的加工。逆向工程的应用领域大致可分为以下 几种情况： ( 1 ) 样品复制。样品复制时，常规加工方法是以靠模机来完成，但是用靠模机 加工存在以下缺点：精度低；不能进行修整加工；速度很慢：复制的样品有限。 而利用逆向制造技术可以做剑：由于c 删的测量精度达到微米，加工中心的加工 精度达到l o 微米以下，因此加工精度离；具有编辑修改能力，配合数据处理软件 可对所得测量数据进行修证，以使样品复制更精确；自动肺工速度快，而醢可以 新江t 业人学t 栏坝j ：掌位论义 头耽曼稿件面删复利。 ( 2 ) 模具加工。8 0 年代来期模具制造高速发展，而且模具应用越来越广泛，在 ， ，k 一 ，- 二 ，f 一 ， 。t 一 杠j l l 下，u 坐竹，廿口偎丹 夏巾u 1 - 上c 口口佚，专，社业下巾q 社半儿口_ 偎悬，1 乜口l 、 汽车、家电等工业上也有很多模具产品，如汽车车身外主模型和内主模型，外形 镀金零件冲压模等。一些较复杂模具用常规制造方法，加工复杂，而且要花费大 量人力和财力且加工时间较长；应用逆向制造技术，可以快速地制作模具的电脑 模型，并可直接编成数控程序来制造模具。 ( 3 ) 零件加工。若设计的零件型面很复杂，如叶片，很难用常规的机械加工方 法加工，应用逆向制造技术可以方便地实现。 1 2 快速实物测量简述 在表面数字化技术中，根据测试方式的不同可以将数据采集方法分为接触式 和非接触式两大类。传统的测量方法是以c i m 为代表的接触式。接触式测量是指测 量头与实物表面有接触，采用的设备主要有：三坐标测量机、数控机床( n c ) 加上 测量装置、专用数字化仪等。接触式方法对物体表面的颜色和光照没有要求，物 体边界的测量相对精确，但缺点是速度慢，对软质材料适应差，而且测点分布可 能不理想。非接触式测速高，但是相对而言它的精度较低而且对表面和光照要求 高。这种方式比较成熟，但测量速度和精度比较低，而且不适合柔软实物的测量。 但近年来，随着计算机、传感和光电技术的发展；以计算机图象处理为主要手段 的非接触式测量技术得到飞速发展，出现了如三角形法，激光法以及电磁和声波法 等非接触方式的测量方法“1 。非接触式测量方法是一种无需与被测样件接触就能 获取数掘的方法，分为主动和被动式测量。主动式测量有专门仪器产生测量光源 或声源，是逆向工程中常用的方法；被动式则没有。非接触式测量机主要有光学， 声学和磁学测量机。光学测量方法是目前最广泛使用的也是相对速度最快的非接 tp 触式获取数据的方法，主要有结构光法、激光三角形法、激光测距法、干涉测量 法、图像分析法。最常用的是激光三角形测量法，其基本原理是利用激光源投射 到被测表面，反射光在图像传感器上成像，按照预设计的三角形光路原理得到被 测点的位置坐标。 祈江。r 业人学丁栏坝l ：学位论义 i z i = 生标瘌莹搜；鲤i j 头 从1 9 5 0 年英 f e r r a n t i 公司制造出第一台数字式测头移动型三坐标测量机、 1 9 7 3 年前西德o p t o n 公_ j 完成三维测头设计并与电子计算机配套推出第一个三坐 标测量系统以来，经过几十年的快速发展，坐标测量技术已臻成熟，测量精度得 到极大提高，测量软件功能更加强大，操作界面也r 益完善，生产厂家遍布全球， 开发出了适于不同用途的三坐标测量机型嘲。几十年的发展充分证明，现代三坐标 测量系统打破了传统的测量模式，具有通用、灵活、高效等特点，可以通过计算 机控制完成各种复杂零件的测量，符合机械制造业中柔性自动化发展的需要，能 够满足现代生产对测量技术提出的高精度、高效率要求。 除用于空间尺寸及形位误差的测量外，应用坐标测量机对未知数学模型的复 杂曲面进行测量，提取复杂曲面的原始形状信息，重构被测曲面，实现被测曲面 的数字化，不仅是坐标测量机应用的一个重要领域，也是逆向程中的关键技术之 一，近年来也得到快速发展。 测量头作为测量传感器，是坐标测量系统中非常重要的部件。三坐标测量机 的工作效率、精度与测量头密切相关，没有先进的测量头，就无法发挥测量机的 卓越功能。坐标测量机的发展促进了新型测头的研制，新型测头的开发又进一步 扩大了测量机的应用范围。按测量方法，可将测头分为接触式( 触发式) 和非接 触式两大类。触发式测量头又分为机械接触式测头和电气接触式测头：非接触式 测头则包括光学显微镜、电视扫描头及激光扫描头等。本文讨论的重点为触发式 测头。 ( 1 ) 机械接触式测头。接触式测头又称为“刚性测头”、“硬测头”，一般用于 “静态”测量，大多作为接触元件使用。这种测头没有传感系统，无量程、不发 讯，只是一个纯机械式接触头。机械接触式测头主要用于手动测量。由于人工直 接操作，故测头的测量力不易控制，只运于作一般精度的测量。由于其明显的缺 点，目自口这种测头已很少使用。 ( 2 ) 电气接触式测头。电气接触式测头又称为“软测头”，适于动态测量。这 种测头作为测量传感器，是唯一与工件接触的部件，每测量一个点时，测头传感 部分总有一个“接触偏转一发讯一回复”的过程，测头的测端与被测件接触后 可作偏移，传感器输出模拟位移量的信号。这种测头不但可用于瞄准( 即过零发讯) ， 还可用于测微( 即测出给定坐标值的偏差值) 。因此按其功能，电气接触式测头义可 栅江f 业人竿i 一桎坝f + 字位砣j c ，于刀件舳准用的丌矢莉头莉是自莉馓切舵b - = h 瘌失。电气梭触武痢失是百晌1 璺 用最多的测头。 1 2 2 测量方法简述 三坐标测量在测量方式上可分为接触式测量和非接触式测量两种。世界各国一 在非接触式测量方法中开展了广泛研究，并取得了大量的实践经验。非接触式测 量具有三大优点：对被测表面没有任何干扰，不会在测量过程中划伤工件表 面：对被测表面的硬度要求很低，可直接对高弹性、柔软物体( 甚至液体) 表 面进行测量；没有测头半径三维补偿问题。它避免了接触式测量中的几乎所有 缺陷。非接触式测量根据测量原理的不同，大致可分为激光非接触式测量、工业 c t 光学测量、超声波测量、电磁测量等方法。”。其中光学测量方法在逆向工程中 最为常用和较为成熟。 激光非接触式测量。这种测量方法是根据光学三角形测量原理，以激光作为 光源，将其投射到物体表面，并采用光电敏感元件在另一位置接受激光的反射， 根据光点或光条在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间的 关系获取深度信息这类测量仪精度高、速度快、和零件表面无接触，在数控仿形 加工、模具制造、生产线实时在线检测等领域具有广阔的应用前景。 1 3 快速几何建模技术 1 3 1 曲线曲面造型技术 机械设计与制造的逆向工程中，自由曲面的测量与描述是极其重要的。特别 是对测量数据的处理和c a d 建模，一直是传统逆向工程的“瓶颈”问题，有许多问 题仍需进一步研究。目前，由于激光测量技术和激光快速成形技术的出现，推动 了反求技术的进一步发展。 把实物经过数字化处理后得到的是大量密集的原始测量数据( 数掘量往往高 达几兆、几十兆甚至上百兆) ，数据之间通常没有相应的、显式拓扑关系，只是一 大群空f b j 散乱点( 数掘云) ，这当中还包括大量无用的数据。因此，首先必须进行 数掘的滤波、拟合、重建和消隐等处理过程，然后通过适当的算法把这些经过处 理的数据拟合成c a d 模型。在实际的反求过程中，我们遇到的零件的表面可分为规 则曲而和自由曲面：规则曲面是能够琦；j 单一函数农达n 勺曲面，比较容易测量和建 4 珊江i 业人字l ，桂坝i 竿世化卫 俣；j f u 目出蛐叫1 、眈骖用平。刚函数术农达，首通鲥删量子段难硒疋簧求，共 参数也不能直接给出，而且建模过程中也不能够用单一曲面来拟合与造型，而是 一j i r t j 一l f j ，f ，；，t 幽穸弧衄叫红n 烂。1 7 、u 戗、硪舅岢仳口u 瞒心”u 交w 状倒坦d 目刖，只= 竹凹 面构造方案：一是以四边域曲面b p n u r b s 或b s p l i n e 曲面为基础的曲面构造方案： 二是以三角b e z i e r 曲面为基础的曲面构造方案；三是以多面体方式来描述曲面物 体。其中以前两种方案应用为多。 1 3 ，2 几种商用逆向工程系统( 或模块) 分析 曲面里建c a d c a m 系统是通过接口程序把数字化设备测得的数据转换为相应 代码，生成数字化点文件，利用c a d c a m 系统的自由曲线和曲面编辑功能对大量 的点进行编辑处理，修改、删除变异的点，也可增加点，使之分布合理，生成要 求的实体，通过曲率分析、光影等检查实体的特征，生成三维产品，进而得到模 具。 迄今，在国际市场上出现了多个与反求工程相关的软件系统，主要有：美国 i m a g e w a r e 公司产品s u r f a c e 7 ，1 、英国d e l c a m 公司产品c o p y c a d 、英国m d t v 公司 的s t r i ma n ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o n 、英国r e n is h a w 公司的t r a c e ，在一些流 行的c a d c a m 集成系统中也开始集成了类似模块，如u n i g r a h i c s 中的p o i n t c l o u d 功能，p r o e n g i n e e r in g 中的p r o e s c a n 功能、c i m a t r o n 9 0 中的r e v e r s e e n g i n e e r i n g 功能模块等，在我国，有关逆向工程的研究与丌发工作也在不少单位 内展开，如浙江大学、华中理工大学、西安交通大学、西北工业大学等，并取得 一定的成果，如浙江大学推出的r e - s o f t 软件系统。 i m a g e w a r e 公司的s u r f a c e 7 1 主要有四个方面的功能：1 ) 扫描点的分析及处 理可接收束自不同束源的数据，如c m m 、l a s e rs e n s o r s 等。2 ) 曲面模型构 造快速而准确地把扫描点变换成n u r b s 曲面模型。3 ) 曲面模型精度、品质分 析。4 ) 曲面修改曲线和曲面可实时交互形状修改。在曲面自重建方面，该系 统主要方法有如下两点：可由扫描点直接产生曲面而不需要经过建造曲线的过程， 办可先建周边曲线，而后用该边界与其内部的扫描点群来产生曲面。首先在扫描 点群中构造n u r b s 曲线，然后根据曲线柬产生曲面。 d e i c a m 公司的c o p y c a d 主要有如下功能：1 ) 数字化点的输入与处理，包括数 掘输入j 数字化点数搠的变换与处理。2 ) 三角形划分，可以根据用户定义的允差 5 m f ul 业人手il 芏t 瞰i ：字世诧卫 = 用化烈于俣至。jj 荷址础馘削，土肚，以，义且于驯马| 目列刚力战肌= 确肜供型甲 提取特征线，或直接从外部输入特征线。4 ) 利用特征线构成的网格构造曲面片， 、一7 t ，、j，。，j_t r 一 ， rt ， 、 r。，t ，r 黼，口心地，日 匕凹凹门- 4 - i 口j i ：l ! j j 土墩旺冀小小失蜥皿叫门厶i 口j f l t l j t 朋仉放ou 删叫 模型精度、品质分析。 m d t v 公司的s t r m 是在国内有较大影响的系统，对一个数字化的对象，其操作 步骤大体为：1 ) 以不同的角度将测量数据显示于计算机屏幕上，以便及时发现不 准确的数字化点和遗漏的测量区域；2 ) 编辑数字化点，所有的数字化点必须经筛 选或自由光滑处理，以去除杂散点，从而提高数字化点的精度；3 ) 建立线框模型， 以交互方式定义模型的特征线；4 ) 生成曲面，通过定义面与面之间的过渡约束( 如 曲线的相切、连续性等) 由线框模型生成一组曲面，这些曲面被自动地覆盖到数 字化型面上，以尽可能地与测得的数字化点相吻合；5 ) 校核。 这些软件系统采用的都是n u r b s 曲面，从他们的功能或操作方法来看，其共 同特点是先构造曲线，或者是利用蓝线直接构造曲面，或是通过曲线界定曲面拟 合区域，先生成曲面片，然后通过拼接构成完成的曲面模型。其优点是n u r b s 曲 面的应用在c a d c a m 系统的通信、交流就十分方便。特征曲线的构造在其中起着 重要的作用。然而，通过交互定义特征线费时费力，而自动提取的方法在目前仍 相当有限。 浙江大学的r e - s o f t 系统采用三角b e z i e r 曲面模型，它首先建立数字化点的三 角形网格，接着在三角形网格的网孔内蒙上三角b e z i e r 曲面。具体过程是：首先 对数字化点建立一个三角形网格模型，利用这一模型对曲面的特征( 如尖边、过 渡等) 进行辨识，然后利用辨识结果和用户给定的误差对三角形网格进行必要的 简化和调整，使得网格表示得曲面模型与实物一致，最后在三角网格得网孔内构 造三角b e z i e r 曲面的曲面片。各个相邻曲面问实现连续。其优点在于三角形曲面 在表现形状方面是最为灵活，它能适应各种复杂的形状，因而，r e - s o f t 在保形性 r 方面明显强于国外的产品。另外，由于不需要过多交互以构造曲线，所以r e - s o f t 操作简单。但由于采用三角b e i e r 曲面模型，所以它与其他c a d c a m 的通信就不台 方便。为了解决这一问题，在r e s o f t 中集成了一个n u r b s 曲面转换模块，同时还 集成了基于三角g e z i e f 曲面模型的曲面加工模块。 p t c 公司的p r o e n g i n e e r jn gr l f 的p r o a s c a n 只能处理扫描数据输入，通过点过 滤和线过滤技术将模型的数据鼙减少，最终通过线来建：丑曲面。丽u n i g c a p h jc s i 新址i 业a 亨i 性魄f ：孚：世圯x 鲋r o l n 仉1 0 u d 侯头j l | j 灯六污平值掰征的蹦面且矮拟台威删脚。盈蕊这种力 右呻亨 业的反求工程软件相比，他们的功能相当有限。但p r o e n g i n e e r 单一数据库、参 _，r，- f 一，一， f 一? -，一， ，t _ 一t ， 隽k 几j 、2 基j1 可 l l 、 - p 1 臼7 口j 1 矾，已蚺又j - p h q , i x , o l t t o w o m 口0 i 爿l 聱t o ，n 1 t 土帮i 口0 概念己成为当今世界机械c a d c a e c a m 领域的新标准。利用该概念开发出来的第三 代机械c a d c a e c a m 产品p r o e n g i n e e r 软件能将设计至生产全过程集成到一起，让 所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程，本 课题实验研究部分主要采用该软件建模。 1 4 快速模具制造技术 1 4 1 模具快速原型制造技术 1 快速原型制造技术 r p m 技术获得零件的途径不同于传统的材料去除或材料变形方法，而是在计算 机控制下基于离散堆积原理，根据零件c a d 模型采用不同方法堆积材料最终完成 零件的成形与制造技术，它具有高度柔性、技术的高度集成、设计制造一体化、 快速性、自由形状制造、材料的广泛性的特点，被公认为是继n c 技术之后的一次 技术革命。 2 r p m 的一般工艺步骤。 由于r p m 技术可以明显地缩短产品丌发周期，提高产品开发的成功率，降低 开发成本和投资风险，因此在产品开发的过程中得到了迅速的推广应用，r p m 技术 得到了进一步的发展”1 。自美国3 d s y s t e m 公司推出第一台商品s l a 快速成形机以 来，已有十几种不同的快速成形系统。其中比较成熟的有s l a ( 立体印刷) 、s g c ( 漏板光敏树脂固化) 、l o m ( 叠层制造) 、s l s ( 激光选区烧结) 、3 d p ( 三维印 刷) 、f d m ( 熔积成形) 以及u p ( 喷墨印刷) 等方法，一些专家认为喷墨技术是 未来发展的趋势。 3 r 蹦技术在模具制造中的运用。 用快速成型机直接制作模具。由于一些快速成形机制作的工件有较好的机 械强度和稳定性，因此可直接用作某些模具。目i j ，能够直接制造会属模具的快 速原型工艺包括s l s 、3 d p 、s d m 和3 d w e l d i n g 等。最典型的工艺方法是美国d t m 公司用r t 专利技术生产注塑模。 搿l 1i 业人手it 土 ! i ! i j 7 世化卫 留用伏愿从型机馈制作侯具。dj 伏胜棘型且俊制造模共仕俣共槽厦芹u 往 能控制方面比较困难，特殊的后处理设备与工艺使成本提高较大，模具尺寸也受 ，。 f 一， 。，t。t，q + f，t，t，-，j _ 土u - 认八k 巾q 1 口l 1 i 口j ，交厌脞偎丹巾q 坦越 二l 伏j 丕 秣刍岜蚁卜o l 守习l 口v 1 哭骨彻巾u 技术相结合制造模具无论在模具精度、表面质量、机械性能与使用寿命，还是在 经济方面都能得到很好的控制。因此，耳目口基于r p 快速制模多为间接制模法。 用快速成型件制作母模，复制软模具。用快速成型件作母模，可浇注蜡、 硅橡胶、环氧树脂等软材料构成软模具或先浇注硅橡胶、环氧树脂模，再浇注蜡 模。其中蜡模用于熔模铸造。硅橡胶模可作试制用注塑模或低熔点合会铸造模。 1 4 2 快速制模技术 1 快速制模技术的提出。 在当丽激烈竞争的市场经济中，产品的更新换代同益加快，小批量、多品种是 总的发展趋势，新产品的样件试制也越来越多，传统铸造模具的现状已很难适应 当前的形势。而快速成型技术的出现，为使用各种快速制模技术注入了新的活力， 很好地解决了复杂形状母模获取的“瓶颈”问题“。 应用快速成型方法快速制作工具或模具的技术称为快速制模具技术 ( r a p i d t o o l i n g ，简称r t ) ，目前它己成为快速成型技术的一个新的研究热点。由 于传统模具制作过程复杂、耗时长、费用高，往往成为设计和制造的瓶颈，因此 应用快速成型技术快速经济制造模具成为该技术发展的主要推动力之一“”。而用 快速成型技术直接制造金属零件或模具更是r p 领域研究人员的目标，目前也己取 得一定的成果，但尚不能应用于实践。因此需要会属零件或进行批量生产时，还 需要将快速成型技术与各种转换技术相结合，f b j 接制造会属零件或模具。 用r p m 技术实现模具的快速制造，减少模具制造成本和时问，是制造部门应 用r p m 技术最关注的一个问题咖。 2 快速制模技术的分类。 利用快速成型技术实现快速制模按功能用途可分为注塑模、铸模、 蜡型的成形模( 铸型模) 及石墨电极研磨母模；按制模材料可分为简易模 ( 又称为经济模、软模) 和钢质硬模；根据不同的制模工艺划分有直接制 模泫和间接制模法两种：根据其强度、表而硬度、使用温度以及加工制 晶阴“i 颈义口j 分为轵俣捌硬楔。软棋的机械住再邑、耐热任能制使用寿 命低于硬模，适合于小批量塑料的低压浇注和常温固化成型，模具材 料有环氧树脂、硅橡胶材料、低熔点合金、锌合金和铝合金。软模的 成本较低，制造方便、精度和表面光洁度较高1 2 7 。硬模多由金属材料 制造，模具强度、表面硬度、耐热性和使用寿命均比软模高，主要用 于塑料注射加工模具，目前的发展方向是制造高精度、应用范围广阔 的硬模【勰】。其分类见图1 1 。 快 速 模 凡 制 造 3 快速制模的方法 直 接 制 模 法 间 接 制 模 法 软 质 模 具 硬 质 模 d m l s 法 快速成砸也极制造金属模 幽1 1 基丁快速成型的快速模具制造技术体系 一一一一一一 一一一一一一一一圈一一一 基jh p 砒盘不鲥伏j 墨利俣法定刷用伏迷藏形投不直绩制厄模具今牙，冉差馗一 些必要的后处理和机加工以获得模具所要求的机械性能、尺寸精度和表面耦糙度。 、 ；， ，4f ，。r ， 残f 石虮7 i ，7 幻，玎州尔纠l 巾0 i 卜什i t ，出1 n 月吠i 纠b 口_ 1 失丹巾u 旭上j ，1 1 u 疋且救，口i 兀龟 成型件做模具，对金属模具制造尤为快捷，是一种极具开发前景的制模方法。 其制造的快速模具尺寸精度高，结构精巧，设计灵活，例如流道系统、冷却 或加热管路的布置可以更为合理，制造速度更快。直接制模材料大多是专门的金 属粉末或商、低熔点金属粉末的混合物，也可使用专门的树脂。 快速制模的主要方法有：利用s l s ，s l a ，3 d p ，l e n s ，d m l s ：激光烧结直接制 模法，铸造法快速制模，l o m 法制作金属模具技术，分层制模法；硅橡胶浇注法， 环氧树脂模具法，金属喷涂法，电铸制模法，n c c 法，3 dk e l t o o l 等工艺来制作模 具。 4 硅胶模工艺 1 ) 硅胶材料的分类 制模用的硅橡胶是双组分的液体硅橡胶，分为缩合型和加成型两类。 缩合型模具硅橡胶的主要组分包括：端基和部分侧基为轻基的聚硅氧烷( 生 胶) 、镇料、交联剂和硫化促进剂。 加成型模具硅橡胶的主要组分包括：端基和部分侧基为乙烯基的聚硅氧烷( 生 胶) 、含氢硅油( 交联剂) 、铂触媒( 催化剂) 、自炭黑( 填料) 。目前，这两种模具硅 橡胶材料己在国内外许多行业获得了广泛应用。一般来说，缩合型模具硅橡胶的 撕裂强度较低，在模具制造与使用过程中易被撕破，因此很难适用于花纹深且形 状复杂的模具。在用缩合型模具胶制造厚模具的过程中，由于缩合交联过程中产 生的乙醇等低分子物质难于完全排出，致使模具在受热时硅橡胶降解老化而显著 影响其使用寿命：同时山于乙醇等低分子物质的排出致使硫化胶的体积收缩。因 此，缩合型模具硅橡胶大多用作塑料与入造革生产中的高频压花模具或用于一些 ， 尺寸要求不精密的工艺品制造。 2 ) 硅胶模的优缺点 优点：制作周期短、成本低，高柔性、耐高温、弹性好工件易于脱模。 缺点：不能用于热注射成形，导热性较差、使用寿命不长。 l o 面l ，! j 幢7 半if 埘一 寻：吖吃工 1 5 谍题研究百景及内吞 1 5 1 课题研究背景 在实际的应用领域，为了实现产品的快速开发，设计工程师常常以已知的样 件( 模件) 为依据或参考原型进行仿形，改型设计或工业造型设计。比如：摩托车、 汽车车身和覆盖件、装饰件等的工业设计与详细设计中。形状独特而复杂的自由 曲面件一般不能直接建立c a d 模型，往往是以制件模型或经手工修改的样件为设 计原型；没有图纸或图纸无法得到的已知复杂形面的产品造型或磨损零件。而数 控加工是目前c a d c a p p c a m 系统中最能明显发挥效益的环节之一，在实现设计加 工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用 “，产品粗加工的目的在于迅速切除大部分余量以提高生产效率，同时为后续加 工创造条件。制造业的不断发展，把粗加工放到了同益重要的地位上随着生产技 术水平的不断提高，用户要求产品的交货期相应的缩短以适应市场的快速变化据 统计，目前在注射成型模具的加工中，有5 0 左右的时日j 花费在切除大余量的粗加 工上“”。因此，从保证产品精度，提高加工效率，缩短交货期等方面考虑，粗加 工是一道非常重要的工序。m a s t e r c a m 是美国c n cs o f t w a r en c 公司研制丌发的 一套p c 级高级套装软件，可以在一般的计算机上运行。利用这个软件，可以设计 绘制所要加工的零件，也可以产生加工这个零件的数控程序，同时，可以将 a u t o c a d c a d k e y ，p r o e 等c a d 软件绘制的图形调入到m a s t e r c a m 中进行数控编程， 因此，它是一套真j 下的c a d c a m 一体化软件，鉴于我国目前企业的经济及技术实 力，选用计算机平台来实现3 5 轴的c a m 是非常实际的，而这种实际的需求即预 示着m a s t e r c a m 这类p c 平台的c a d c a m 软件在我国有着非常广阔的应用盼景。 综上所述，本课题在充分调研、分析比较并考虑到国内外发展应用情况的基 础上选择了以触发式三世标测量机为主要的数字化设备，优秀的p r o e 造型软件， 快速、高效的m a s t e r c a m 软件，以及快速成型机、数控车床等设备为本课题的研究 创造了很好的实验平台。 1 5 2 课题研究主要内容 本课题主要研究内容包括： 1 ) 以尽量减少测量过程中的误差为f j 的对三坐标测头的选取、测量方式的选取、 测量步距的选择以及测量原理进行了研究。 zj 盯所痢之点敌姑明处理以吐扫删聃佃建力a 碰仃饼九， 了理论和实验探讨，并通过实验加以验证比较。 ，一t ，t ， ，k f fj 一 ， j ，们r c j j 土仲佃h ，7 ia 斟皇l 姒1 = lj z 明j 井啦h 皿【1jw 袅川“l 、 技术加工。 儿其趋灯凹凹造型避 j 丧速成量i 五j u 一知数盐 4 ) 用快速成型件制作母模，复制软模具。用快速成型件作母模，可浇注蜡、硅橡 胶、环氧树脂等软材料构成软模具或先浇注硅橡胶、环氧树脂模，再浇注蜡模。 其中蜡模用于熔模铸造。硅橡胶模可作试制用注塑模或低熔点合金铸造模。 本课题以实际应用为主要原则，旨在研究适宜的几何模型构建技术以及三坐 标测量与c a d c a m 的结合问题，在快速制模技术中，制造出尺寸精度比较高的快速 原型是前提，但大部分快速成型得到的原型因材质和成型工艺的限制，不能直接 作为模具使用。”。只有解决好快速原型向达到使用要求的模具的转化，并且保证在 每次工艺转换过程中的尺寸一精度要求，才能真t f 实现模具的快速经济制造。 1 6 本章小结 本章首先阐述了机械逆向工程技术的概念及其内涵，在此基础上详细介绍了 当自f 逆向工程的发展现状，机械逆向工程中有关曲面造型技术、快速制模技术等 关键技术，通过比较，确定课题的实验途径，最后介绍了本论文的课题背景、所 要研究的主要内容及研究意义。 第二章三坐标测量系统与测量方式分析 2 1引言 在快速成型和逆向工程中需用三坐标测量机测量数据为依据，因此要介绍其 功用和性能。三坐标测量机简称c m m ，其基本测量原理是将各种几何元素的测量转 化为对这些凡何元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后， 再由软件按一定的评定准则计算出这些几何元素的尺寸、形状、相对位置等等。 这一原理给了测量机很大的通用性和柔性，测量机种类繁多、形式各异、性能各 样。然而为实现这一测量功能，测量机一般由以下5 个组成部分组成：主机( 桥架、 导轨、工作台) 、测头系统、测量系统( 一般为光栅系统) 、驱动控制系统和测量软 件。桥架和工作台组成测量空问，被测工件放置于测量空间内，导轨系统( 一般为 气浮导轨) 支撑三轴，驱动控制系统驱动三轴带动测头在测量空间内做三维运动， 测头跟踪待测点的位置，光栅测量系统记录三轴坐标，测量软件通过一定算法， 由各点坐标计算被测的几何尺寸、形状和位置并给出测量结果。各个组成部分功 能的实现方法、规格及精度的不同，决定了测量机的规格、总体精度和性能的差 异。1 9 5 6 年，英国f e r r a n t il t d 公司数控部的h a r r yo g d e n 发明了世界上第一台 三坐标测量机。从那以后，测量机经过5 0 多年的发展，已由手动机发展到配有计 算机数字控制系统和完善软件系统的c n c 三坐标测量机，广泛地应用于三维复杂零 件的尺寸、形状和相互位置的高准确度测量，以及逆向工程和在线质量控制等领 域，并在先进制造技术与科学研究中有着极其广阔的发展前景。目前，世界各国 均在竞相研制和生产各种规格和不同精度档次的坐标测量机。h e x a g o n 集团计量产 业由于将著名的测量机专业厂家b r o w n s h a r p e ，d e a ，l e i t z ，b r o w n s h a r p e 前哨、c ej o b a n s sa ! n 以及著名的测量软件p c d m i s 专业开发商w i l c o x 和著名的精密 计量工具制造商瑞士t e s a 纳入魔下而成为世界计量领域的领先者。美国b r o w n s h a r p 公司专业制造手动、数控和高速扫描测量机：德国l e i t z 公司是世界上精度 最高的测量机制造商；意大利d e a 公司以生产大型测量机而字誉全球；c ej o t l a n s s a n 而向欧洲，提供功能先进的桥式测量帆产品；中围青岛前哨朗普公司是中国目前 1 3 孜木最冗懋、买刀最强册删量机利造企业：失幽w 儿0 u x 公司是世界钡无捌最大明 计量软件开发商。较著名的测量机厂商还有德国的z e i s s 公司，意大利的c o o r d 3 公 一+ 。 。 q7 i ，5 。 2 2 三坐标测量机硬件系统和软件系统简述 2 2 1 硬件部分 硬件上采用的是由我国自行设计的北京南航立科公司生产的l i k e 系列三坐标 测量机。采用立柱悬臂结构，由运行于基础平台上的三维导向机械本体、位置检 测及采集系统、测头和划线头、数据处理系统四部分构成。其外形结构如图2 1 所 示。 a 二坐标机械本体，b 位移传感器c 数显系统d 测头e 数据处理系统f 划线头 幽2 1l i k e 二坐标溯量划线单机系统 数据处理系统中的计算机主要用于接收、处理测量数据和各种控制系统产生 的信息。由于计算机的更新换代同益频繁，使得高性能的计算机更广泛的投入实 际应用，数掘的处理更为快捷，计算速度更快。采用高性能的p 2 计算机进行控制， 同时配备l 3 d m s 系统测量软件。 三维测头即是三维测量的传感器，它可在三个方向上感受瞄准信号和微小位 移，以实现测微( 即测出与给定的标准坐标值的偏差值) 和触发瞄准并过零通讯两 种功能。测量机的测头主要有机械测头、电气测头、光学测头等，此外还有测头 回转体等附件。测量机的测头按测量方法可分为接触式和非接触式之分，接触式 测头便于拾取三维尺寸信号，应用甚为广泛，种类也很多：非接触式测头由于有 不与工件接触的优点，发展也十分迅速。接触式测头可分为硬测头与软测头两类。 1 4 由旦删哭多为田l 械虱铡头，王妥用于手列测量。出于人上且袋豫作，敢侧重刀卜历 控制。测量力过大，会引起测头和被测件的变形，测量误差也较大；测量力过小， pp t 一+ t - ，j 一 h ，t 。 7 i 冉匕眯，可愣0 i 叫似删0j th j 爿# 孜雌；职0 里u 口j 又门b 出：；伍肿j f 出悄l 望i p 中of f u 机删 头的测端与被测件接触后，测端可作偏移，传感器进而输出开关信号或模拟信号。 软测头包括触发式测头和模拟式测头。在测端接触工件后仅发出瞄准信号的测头 称为触发式测头；除发讯外还能进行偏移量读数的称为模拟式测头。本测量系统 采用的是英国r e n i s h a w 公司生产的m p 3 1 - - 维触发式测头“。 2 2 2 软件部分 按软件功能的不同，可把三坐标测量机软件作如下区分：基本测量软件专 用测量软件附加功能软件。根据软件的作用、性质不同，可分为：控制软件 数掘处理软件。同d 口流行的测量软件，例如，英国雷尼绍公司的c y c l o n 2 高速扫描 仪，可实现激光测头和接触式扫描头的互换，激光测头的扫描精度达0 0 5 m m ，接 触式扫描测头精度可达