逆向工程技术在产品数字化检验中的研究与应用.pdf

上海交通大学 硕士学位论文 逆向工程技术在产品数字化检验中的研究与应用 姓名 李烈华 申请学位级别 硕士 专业 材料加工工程 指导教师 邢渊 20050501 上海交通大学硕士研究生论文 II 逆向工程技术在产品数字化检验中的研究与应用 摘 逆向工程技术在产品数字化检验中的研究与应用 摘 要要 制造业作为整个社会发展的前提和基础 在人类社会中起着至 关重要的作用 产品开发是制造业中最为重要的部分 特别是产品 开发的早期阶段更是起着决定性作用 模具作为产品成形的重要工 具 广泛应用于国民经济各生产领域 模具的设计制造是一个复杂 过程 涉及到产品设计 模具设计 电加工 机械加工等方方面面 因此 如何快速 高质量 低成本地设计制造出产品模具 尤为关 键的是如何使制造的产品能迅速地满足客户的要求 以最快的速度 形成批量就成为在市场竞争中的一个重要因素 在现在的汽车工业及模具工业中 三维的 CAD CAM 软件已得 到了普遍的运用 根据产品的实际情况 制造产品的工序流程往往 有所不同 即 所谓的正向设计及逆向设计的两种设计思路 因现 实中的各种因素并非所有产品都采用正向设计 如需仿制和备份某 一非专利产品或是因原数据丢失等情况 这时就要采用逆向设计了 但不论正向还是逆向设计 在产品的开发过程中都不可避免地需要 采取一定的手段来验证产品制造的正确性这个工作环节 如何使产品开发的周期缩短 使产品早日进入批产阶段 这是 各企业所关心的问题 验证工作这道工序在整个开发流程中就起到 了至关重要的作用 在目前大多数企业中 对产品的验证工作主要 上海交通大学硕士研究生论文 III 都是通过检具来进行的 从模具设计开始 产品工程师就必须充分 消化产品图纸 了解产品的装车部位及列出零件重要特性分级表 并与检具设计工程师一起分析 考虑检具的设计工作 然而 现实 工作中总是存在着不少的困难 如 检具的费用一般价格不菲 因 匹配的关系 即便产品符合数模的要求 因与该产品相匹配的产品 又不便更改等情况的出现时 应主机厂的要求而必须更改产品形状 这样一来 产品数模 模具 检具就必须进行一连串的更改 根据 实际经验 产品进入批产时 一般情况下 检具往往已改得面目全 非 并且与初始的设计数模对不上号了 可以说 这样的流程具有 三大缺点 1 频繁的修改 资金浪费较大 投入的人力 财力消耗较大 2 频繁的修改 有时数模不能或难以及时地进行相应的更 改 致使检具的实际情况与数模有所偏差 不利于检具的复 制及存挡数据的正确性的工作的进行 3 检具的更改不是一天二天的事情 一定程度上延缓了产品 开发的进度 所以该课题研究的是 能否在产品开发的过程中 跃过检具的 设计及制作工序 而是利用逆向工程的技术采用更加简洁的方法达 到此目的 节约加工成本 加速产品开发的进度 本课题提出了这样的一个问题 在产品开发的过程中 能否运 用现在的逆向手段 另僻渠道 更加快速地验证产品与设计的符合 上海交通大学硕士研究生论文 IV 程度 以加速产品开发的速度 当然 在产品经过数据验证及装车 认可后 为了便于批量生产过程中的操作便利性 我们仍然可以在 后期进行检具的加工工作 但这样就可以消除上述所说的常规流程 给我们所带来的缺陷了 本课题结合了企业的多项生产事例 论证 了逆向工程技术在产品数字化检验中的研究和运用 表明了本文研 究得到的成果和结论是成功而有效的 关键词关键词 正向设计 逆向设计 检具 零件重要特性 产品数字化 上海交通大学硕士研究生论文 V RESEARCH AND APPLICATION ON THE DIGITAL PRODUCT S INSPECTION SUPPORTED ON THE REVERSING ENGINEER TECHNOLOGIES ABSTRACT As the premises and foundation manufacturing is the key sides of our society Product design is the most important part of manufacturing especially in the earlier stage Mold is then so important and widely used in lots of fields but the design and manufacture is so difficult and complicated so how to make the product mold in shorter time higher quality and lower cost And the most important is how to make the best product to fit the customer s reqirement in order to have the earlier batch is coming to be the main factor of market competition Nowadays during the autobile and die mould engineering the three dimension s software has the common use According to the product s situation The ways to make the products are always different That is we call it the common design and the reversing design As we know that not all the products are using the common design in the reality For example we want to make a copy of patent or to backup the datas because of the origial datas losted So we have to adopt to use the resversing design But weather which one to be adapted we have to have a way to make sure that if the product is correct or not when we develop a new product How to shorten the period of developing to make a mass production possible concerns every enterprise Gauge is one of the most important procedures in the process of developing In most enterprises the testing of the products is realized via gauge From the very beginning of the design of the mold the engineer have to take great care of the blueprint to find out the position of the components and to particularize the level of importance of the components They also have to work with those who design the gauge to make an analysis and to take the design of gauge into consideration But the difficulties cannot be avoided For instance the costs of the gauge are usually high Sometimes a product has to be reshaped by request even if it does reach the standard of the 3D datas when a problem of matching exists Therefore a series of modification in the 3D datas mold and gauge takes place until the mass production begins Then the gauge is no longer the one it used to be and cannot match the digital mold Generally speaking there are 3 shortcomings in such procedure 1 Frequent modification causes large waste of money and laborer 2 When the 3D datas is not modified in time there can be errors in gauge compared with the 3D datas which is no good for the copying of the gauge or for the accuracy of the saving data 3 It takes time to modify the gauge which somehow delays the progress of the developing The following problem is researched hereinafter Is it possible to skip the procedure of designing and producing gauge in the developing and to lower the costs and accelerate the development of products through the reverse engineering technology The machining of the gauge can certainly be undertaken after the testifying of products in convenience of the operation in the mass production In this way the troubles the regular procedure brings us as mentioned above can be eliminated In this work a great deal of facts is raised to support the research and application of the reverse engineering technology in the digital test of products Effective and successful conclusions can be drawn KEY WORDS injection product reversing design reversing gauge digital product 1 附件四附件四 上海交通大学 学位论文原创性声明 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 李烈华 日期 2005 年 06 月 09 日 2 附件五附件五 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 上海交通大学 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 本人授权上海交通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 保密保密 在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 李烈华 指导教师签名 邢渊 日期 2005 年 06 月 09 日 日期 2005 年 06 月 09 日 上海交通大学硕士研究生论文 1 第一章 绪论第一章 绪论 制造业作为整个社会发展的前提和基础 在人类社会中起着至关重要的作 用 激烈的市场竞争给企业生产带来了巨大的压力 要想在生产中取得优势 企业必须要能够在最快的时间内生产出高质量 低成本 有特色的产品 并提 供优质的售后服务 为了面对竞争日益激烈和需求不断变化的市场 制造业纷 纷提出新的制造技术 方法 战略和哲理 从二十世纪七十年代的计算机集成 制造哲理 八十年代的并行工程理论 到九十年代的智能制造 直至现在的敏 捷制造和全球制造 虽然采用的手段和方式不同 但它们都有一个共同目的 即快速 高质量 低成本生产出最令客户满意的产品 产品开发是制造业中最为重要的部分 特别是产品开发的早期阶段更是起 着决定性作用 尽管许多企业已通过柔性制造和信息集成等技术改善了生产条 件 获得了显著的经济效益 但这些高新技术的应用远没达到人们所期望的目 标 对国内外企业的调查和分析表明 改进产品的开发过程比改进产品的生产 过程获得的效益更为显著 因而对产品开发支持技术和环境的研究具有十分重 要的意义 复杂产品的开发过程涉及到来自多个学科的人员 成功的产品是群 体劳动的成果 为了使群体参与的产品开发过程取得成功 需要对其进行有效 的控制和协调 并提供群体以相应的支持环境 模具作为产品成形的重要工具 广泛应用于国民经济各生产领域 模具的 设计制造是一个复杂过程 涉及到产品设计 模具设计 电加工 机械加工 表面工程 快速原型制造 逆向工程技术等方方面面 因此 如何快速 高质 量 低成本地设计制造出产品模具及形成规模生产的能力已成为市场竞争的重 要因素 本文以汽车内饰注塑产品为对象 结合生产过程中的实际焦 点问题 着重对该类零部件在开发过程中利用逆向工程技术进行快速检测进行 研究 1 1 汽车内饰注塑产品的现状汽车内饰注塑产品的现状 在现在的汽车工业发展过程中 随着各种工业技术的发展及人们对汽车的 概念转化 汽车不仅仅是一种代步工具 更为重要的是 安全性 舒适性 性 价比等各类参考因素在人们的购车过程中考虑的 1 1 1 注塑产品开发现状注塑产品开发现状 塑料 混凝土 钢材和木材并称为四大工业材料 生产的年增长率以塑料 居首位 以塑料代替金属 木材是节约能源 方便制造以及赋予材料具有适宜 性能的重要方向 在塑料加工工艺中注塑是热塑性材料的主要成形方法之一 注塑可以制出形状最复杂的制品 制品成形后加工少 准确性高 是生产率最 高的加工方法之一 当前激烈的市场竞争带来越来越快的产品的更新换代 其中占有很大比重 上海交通大学硕士研究生论文 2 的注塑产品的更新换代对注塑产品的开发提出了更高的要求 为了顺应市场的要求 国内外开始将逆向工程技术应用到注塑产品的开发 过程中 Biles 将 RP 技术应用到注塑产品的开发过程中 将原先需几个星期甚 至几个月才能完成的样件在数天内完成 大大缩短了产品开发的周期 David 利用 CAPP 实施注塑产品的并行设计 沈建新对并行技术在注塑模并行设计中 的应用进行了可行性分析 徐艺则通过 CAD CAE 集成实现 CAE 分析反馈修改 CAD 模型的方法达到注塑产品的并行设计 Kwong 在将黑板推理和知识推理用 于注塑模工艺规划中 Kurth 利用特征技术进行注塑模的型腔设计 Lee 利用知 识推理确定注塑模的设计过程规划 但目前注塑产品并行设计仅仅属于局部的 协同 研究还不够深入 根据模具工业面临的问题和注塑产品开发现状 本文以注塑模为对象 在 注塑产品开发过程中引入逆向工程技术的方法 针对汽车内饰产品的特点 研 究在该类产品的开发过程中 如何解决在开发末期检具制作的重复性焦点问题 研究内容同样适用于制造业其它产品的开发过程 1 1 2 模具工业面临的问题模具工业面临的问题 模具对于一般的产品来说属于工具范畴 精度高 结构复杂 并有较高的 材质要求 使得模具的设计和制造相当困难 同时模具成形的封闭性和成形理 论的不完善 使得模具设计制造带有很强的经验性和盲目性 因此 目前模具 设计制造一般有以下两点不足 1 模具造价昂贵 设计制造过程中稍有不慎 就可能导致严重的后果 损失惨重 降低企业的市场竞争力 2 模具设计制造过程中往往需要反复试模和修模才能满足要求 延长了 生产周期 增加了成本 降低了企业的市场响应能力 随着计算机技术的不断发展 在模具设计制造过程中 出现了 CAD CAE CAM CNC RP RPM 等技术 但由于缺乏灵活的信息交流 使得 CAD CAE CAM CNC RP RPM 技术成为各自独立的 自动化孤岛 CAE CAM CNC RP RPM 仅仅是 CAD 的后续过程 在 CAD 阶段也没有全生命周期的考虑 从而没有从根本上解决模具设计制造的不足 目前的模具 CAD CAE CAM 集成 只是以数据文件的方式实现设计结果的交流 并行效率低 难以实现通过设计 过程中的分析的及时反馈来改进设计 由于模具的设计制造是一个十分复杂的过程 它涉及产品设计 模具设计 电加工 机械加工 表面工程 快速原型制造 逆向工程技术等方方面面 现 在的模具设计制造企业很难同时具有这些方面的技术优势及软硬件条件 面临 市场的竞争 为了缩短产品生产周期 提高产品质量 采用逆向工程技术的工 作方式是必然的选择 1 1 3 塑料注射成型工艺的影响因素 塑料具有密度小 质量轻 比强度大 绝缘型号和价格低等一系列优点 在国民经济的各个领域得到了日益广泛的应用 塑料注射成型在塑料加工行业 中占有十分重要的地位 是最有效的塑料加工方法之一 但传统的塑料注射成 型主要是采用尝试法 经常是依据设计这有限的经验和比较简单的计算公式来 制定成型工艺和设计模具 而在注射成型生产实际中 塑料熔体的流动性能千 差万别 制品和模具的结构千变万化 工艺条件各不相同 仅依赖有限的经验 和简单的公式难以对各种影响因素作综合的考虑和正确的处理 传统方法与塑 料工业日新月异发展之间的差距 导致了注射成型中经常出现反复试磨合修模 上海交通大学硕士研究生论文 3 生产周期长 费用高 产品质量难以保证等弊病 注射成型工艺的正确制定是为了保证荣体能良好塑化并顺利地充模 保压 冷却与定型 在注射成型工艺中最重要的工艺参数是温度 料温 喷嘴温度 模具温度 压力 塑化压力 注射压力 型腔压力 和相对应的各个作用时间 注射时间 保压与实压时间 冷却时间 等 温度的影响 料温 塑料的加工温度是由注射机料筒来控制的 料筒温度的正确选择关 系到塑化质量 其选择原则是能保证顺利地注射成型而又不引起塑料局部降解 在生产中除了要严格控制注射机料筒的最高温度外 还应控制熔体在料筒中的 停留时间 模具温度 在注射成型过程中模具温度通常是由冷却介质 常温水 控制 的 它决定了熔体的冷却速度 模具温度愈低 冷却速度愈快 熔体温度降低 得愈迅速 会造成熔体粘度增大 注射压力损失过高 严重时甚至会引起充模 不足 随着模具温度的升高 熔体流动性变好 所需充模压力减小 制品的生 产率下降 制品的成形收缩率变大 压力的影响 注射成型过程中的压力包括背压 注射压力和型腔压力 背压是通过调节注射液压缸的回油阻力来控制的 背压增大了熔体的内压 力 加强了剪切效果 由于塑料的剪切发热 提高了熔体的温度 背压的增加 使螺杆退回速度减慢 延长了塑料在螺杆中的受热时间 塑化质量可得到改善 但过高的背压增加了料筒计算室内熔体的反流和漏流 降低了熔体的输送能力 减少了塑化量 增加了功率消耗 此外 过高的背压还会因熔体剪切发热 温 度上升过高或者切应力过大 使熔体发生降解 注射压力是指注射时在螺杆头部产生的熔体压强 而型腔压力是指注射压 力经过喷嘴 流道和浇口渴压力损失后在模具型腔内产生的熔体压强 注射速度和冷却时间的影响 注射速度主要影响熔体在型腔内的流动行为 通常随着注射速度的增大 熔体流速增加 剪切作用加强 熔体粘度降低 熔体温度因剪切发热而升高 所以有利于充模 制品各部分的熔接缝强度也得以增加 在实际生产中 注射 速度通常是经过试验来确定的 一般先以低压慢速注射 然后根据制品的成型 情况而调整注射速度 模具的温度直接影响到制品的质量和生产效率 由于各种塑料的加工性能 和成型工艺要求不同 对模具温度的要求也不同 当模具的冷却系统确定后 模具的冷却时间对调节模具温度 保证注射成型过程连续而稳定地进行起关键 的作用 1 2 产品开发的周期产品开发的周期 1 2 1 先进制造技术先进制造技术 先进制造技术至今没有一个严格定义 但却已是一个国际上形成广泛共识 的概念和已被公认的技术术语 广泛的共识是 传统制造技术不断地汲取计算机 信息 自动化 新材料和现代系统管理 技术的最新成果 并将其综合应用于产品的研究与开发 设计 生产 管理和 市场开拓 售后服务 客户关系维护 供应链关系维护等 并取得社会经济效 上海交通大学硕士研究生论文 4 益 这些综合技术通称为先进制造技术 先进制造技术主要包括四部分 现代设计技术 先进的制造技术 综合自 动化技术 现代系统管理技术 其中引起广泛关注和研究的有 计算机集成制 造 并行工程 敏捷制造等 计算机集成制造计算机集成制造 二十世纪八十年代 计算机集成制造系统 Computer Integrated Manufacturing System CIMS 引起了国内外的广泛关注 CIMS 将制造系统中的各种自动化孤 岛用计算机进行有机的集成 使制造系统适合于多品种 中小批量的生产 提 高制造系统的总体效益和柔性 实现 CIMS 的基本要求是应用系统工程理论与 技术 网络技术 数据库 知识库技术 CAD CAE CAPP CAM CAQ CAT 技术 系统仿真技术等 实现各种信息的集成 从发展上来看 CIMS 经历了信息集 成 过程集成和企业集成等阶段 信息集成是针对在设计 管理和加工制造中大量存在的自动化孤岛 解决 其信息的正确 高效的共享和交换 这是改善企业技术和管理水平必须首先解 决的 也是改善企业 TQCSE 时间 质量 成本 服务 环境 的基础 其内 容主要包括 1 企业建模 系统设计方法 软件工具和规范 2 异构环境 下的信息集成 企业为了提高产品的 TQCSE 除了信息集成外 过程集成也是必需的 传 统的设计 制造过程是串行的 往往造成产品开发过程的大量反复 这无疑使 产品开发周期变长 成本增加 如果对产品开发中的各个环节进行有效的过程 集成 则可以减少反复 缩短开发时间 过程集成的主要内容包括 1 产品 设计开发过程的重构和建模 2 支持并行作业的多学科大协同工作小组 以 及计算机网络支持的协同工作环境 CSCW 和 PDM 支持实现异地互操作 3 各种并行工具的使用 如 DFM DFA 等 企业提高自身的市场竞争力 在今天不能走 小而全 大而全 的封建 庄园式经济道路 而必须面对全球经济 全球制造的新形势 充分利用全球制 造资源以更快 更好 更省地响应市场 这便是敏捷制造的由来 敏捷制造的 组织形式是企业之间针对某一特定产品 建立企业之间针对某一特定产品的动 态联盟 这个过程就是企业集成 企业集成的主要内容有 1 支持敏捷制造 的使能技术 2 资源优化 包括供应链的建模和管理 3 网络平台的支持 应该说 CIMS 的最早含义是侧重于信息集成 随着对 CIMS 的进一步研 究 现代 CIMS 包含了系统论 信息化 集成化 网络化 虚拟化 智能化等 促进制造系统更快发展的新技术 新方法 从而具有更大的灵活性 为后续的 进一步发展留有余地 更重要的是有利于企业的接受和推广应用 并行工程 长期以来 产品开发过程一直采用串行工作方法 沿着 需求定义 产品 设计 工艺设计 加工制造 产品销售和维护 的流程进行 这种方法由于设 计的上游不能考虑到下游的各种因素 如可制造性 可装配性等因素 造成产 品设计过程中的 设计 加工 试验 试件 的大循环 从而导致产品开发的 周期长 成本高 在目前竞争激烈 产品更新换代快的市场条件下 这种方法 的缺陷已经严重威胁着企业的生存和发展 并行工程 Concurrent Engineering CE 正是在这种背景下产生的 目前人们普遍采用的是 R L Winner 在 IDA 研究报告 R 338 中提出的定 上海交通大学硕士研究生论文 5 义 并行工程是一种对产品及其相关过程 包括制造过程和支持过程 进行并 行 一体化设计的系统化工作模式 这种模式力图使开发者从一开始就考虑到 产品生命周期 从产品的概念形成到报废 中的所有因素 包括质量 成本 进度与用户需求 并行工程与串行工程的比较如图 1 1 所示 并行工程实施的目的有以下三 点 1 缩短产品开发周期 提高企业对市场的应变能力 并行工程通过并行设计 优化生产过程 减少再设计工作量 缩短了设计 周期和生产准备时间 提高了生产过程的效率 从而整体地缩短产品开发周期 2 提高产品及其全过程的质量 并行工程不仅仅把质量看成是产品度量的标准 也是设计 工艺 制造 服务等系统度量标准 即将质量融于产品设计 制造 服务的全过程 强调只 有持续地提高和完善设计与制造全过程的质量 才能真正保证产品的质量 3 降低产品整个生命周期的成本 并行工程的目的不是单纯地降低产品生产周期中某一部分的消耗 而是降 低产品在整个生命周期中的消耗 包括设计 制造 装配 检验 维护等消耗 敏捷制造 作为近年来的一种先进企业集成形式 敏捷制造指导思想是 充分利用信 息时代的通讯工具和通信环境 为某一产品的快速开发 在一些制造企业之间 建立一个动态联盟 各联盟企业之间加强合作和知识 信息 技术资源共享 充分发挥各自的优势和创造能力 在最短的时间内以最小的投资完成产品的设 计制造过程 并快速把产品推向市场 各企业间严格履行企业合约 利益同享 风险共担 当任务或产品寿命终结时 联盟企业自行解散或缔结新的联盟 敏捷制造体系可以认为主要有两个实际内涵 虚拟企业 Virtual Enterprise 和虚拟开发 Virtual Development 1 虚拟企业 具有较大优势的某一企业经过市场的调查研究后完成某一产品的概念设 计 然后组织其它具有某些设计制造优势的企业组成动态联盟 快速完成产品 的设计加工 抢占市场 我们称这个具有优势的企业为盟主 其它联盟企业为 需求定义产品设计工艺设计加工制造市场 维护 串行过程 串行过程的产品开发周期 并行过程 并行过程的产品开发周期节省的时间 图 1 1 串行过程与并行过程的比较 Fig1 1 Comparison of traditional engineering and concurrent engineering 需求定义 产品设计 工艺设计 加工制造 市场 维护 上海交通大学硕士研究生论文 6 盟友 各联盟企业间通过现代通信技术相互联系 由盟主协调工作 实现同地 或异地设计制造过程 2 虚拟开发 一个产品的生命周期主要包括概念设计 结构设计 制造装配等各方面 各因素之间的相互关系比较复杂 且相互影响 要想加快开发速度 就必须借 助现代化的计算机设备构成一个虚拟开发环境 虚拟开发环境应包括以下内容 虚拟设计 虚拟设计应充分利用现有的 CAD 设计软件和设计平台 面向 制造设计 面向装配设计和面向质量设计等设计思想 在虚拟设计过程中 可 以充分利用虚拟制造 虚拟装配 决策支持系统等虚拟加工 装配 及早发现 设计上的问题 虚拟制造 充分利用 CAPP CAM CS Computer Simulation RPM Rapid Prototype Manufacturing 等虚拟制造技术 为设计的优化提供依据 也 为优化制造过程提供分析和辅助工具 达到缩短开发周期 实现敏捷制造的目 的 虚拟装配 部件设计得再好 加工再精良 如果难以完成装配 将难以 实现产品开发的目的 虚拟装配可直接提高产品开发的敏捷度 决策支持系统 由于产品的复杂性和设计加工的难度 要求在产品的生 产全过程充分利用人类制造领域的成功经验和先进的知识 在决策支持系统 DSS Decision Support System 的帮助下完成产品的设计开发过程 这对减小产品 开发的风险 降低技术人员的劳动强度 缩短产品开发周期都具有重要意义 1 2 2 现代产品设计现代产品设计 产品设计是生产技术中的第一道工序 设计质量的高低是决定产品一系列 技术经济效果的关键问题 产品设计阶段决定了产品成本的主要部分 图 1 2 给出了一般产品生命周期中投入费用的分布情况 可以看出产品开发的早期阶 段将决定产品生命周期费用的 85 产品开发早期阶段只占生命周期费用的 7 产品生命周期各个阶段对差错的修改也会引起成本成倍的增加 现代产品设计是面向市场 面向用户的设计 企业的 TQCSE 五项指标是 衡量设计成功与否的标准 在争取用户满意的竞争中 现代设计要求对产品进 行全生命周期设计 而面对越来越复杂的设计对象 单个人和企业已不能胜任 需要多个专家和企业组成多功能设计小组 以一种协同的工作方式来进行产品 的设计 随着计算机技术与网络技术的快速发展 基于计算机网络的协同设计 技术成为现代产品设计的技术载体 100 85 7 概念设计详细设计产品制造产品维护报废回收 实际消耗费用 被确定费用 图 1 2 产品生命周期费用 Fig1 2 Cost during product life cycle 上海交通大学硕士研究生论文 7 1 3 检具在制造业的运用情况检具在制造业的运用情况 设计对象结构的越趋复杂 面对市场的需求 同时客户对产品的质量要求 也越趋严格 如何保证所生产的产品满足设计要求并能在制造环节中起到有效 的控制作用 单纯靠传统的测量技术显然不能满足实际大批量的生产要求了 检具在这种特定的要求中有了其需求 1 3 1 汽车内饰件开发中产品检测计划的制定汽车内饰件开发中产品检测计划的制定 在汽车的开发过程中 所涉及的零件成千上万 人们对汽车的要求不仅仅 局限在性能上 同时 对汽车的内外饰也提出了更高的要求 如 内饰件的匹 配断差 间隙值是否均匀等 为获得市场的青睐 获取更多的客户 主机厂的 开发 质量部门对这些匹配问题的要求甚至达到了 苛刻 的地步 然而问题 的发生是哪家供应商的产品的问题 或亦是主机厂本身的问题 如何判断 如 何修正 这一系列问题的产生使检具有了用武之地 检具的设计 制造 运用 体现在产品的制造过程 在产品制造过程之初 我们就应该考虑检具的制作了 通常我们与主机厂的检测工程师一起商定制作检具测量计划 明确产品的 RPS 点及其分布描述 扫描范围的描述及要求公差 需要检测的轮廓部位 剖面线 位置等 亦即双方明确了产品的特性要求 达成共识 Figure1 3 The RPS Figure1 4 The RPS Point s Coordinate Figure1 5 Scan Line Description 上海交通大学硕士研究生论文 8 Figure1 6 The Value of Each Scan Line Figure1 7 The Measure Points Of Profile 上海交通大学硕士研究生论文 9 1 3 2 检具的总则及技术要求检具的总则及技术要求 对于光滑极限量规 总则 1 测量的标准条件 温度为 200C 测力为零 2 检验工件最大实体尺寸 即孔为最小 轴为最大极限尺寸 的量规称通规 检验工件最小实体尺寸 即孔为最大 轴为最小极限尺寸 的量规称止规 3 符合极限尺寸判断原则 即泰勒原则 的量规如下 通规的测量面应是与孔或轴形状相对应的完整表面 通常称为全形量规 其尺寸等于工件的最大实体尺寸 且长度等于配合长度 止规的测量面应是点状的 两测量面之间的尺寸等于工件的最小实体尺寸 符合泰勒原则的量规 如在某些场合不方便或有困难时 可在保证被检验 工件的形状误差不影响配合性质的条件下 使用偏离泰勒原则的量规 Figure1 8 The Coordinate Of Profile s Points Figure1 9 The Coordinate Of Profile s Points 上海交通大学硕士研究生论文 10 4 如通规能通过 止规不能通过 则该工件应为合格品 5 制造厂对工件进行检验时 操作者应该使用新的或者磨损较少的通规 检验 部门应该使用与操作者相同型式 且已磨损较多的通规 用户代表在用量规验收工件时 通规应接近工件的最大实体尺寸 止规应接 近工件的最小实体尺寸 6 如判断有争议 应该使用下述尺寸的量规解决 通规应等于或接近工件的最大实体尺寸 止规应等于或接近工件的最小实体尺寸 7 量规的形状和位置误差应在其尺寸公差带内 其公差为量规尺寸公差的 50 当量规尺寸公差小于或等于 0 002 毫米时 其形状和位置公差为 0 001 毫米 技术要求 量规的测量面不应有锈迹 毛刺 黑斑 划痕等明显影响外观和影响使用 质量的缺陷 其它表面不应有锈蚀和裂纹 塞规的测头与手柄的联结应牢固可靠 在使用过程中不应松动 量规可用合金工具钢 碳素工具钢 渗碳钢及其它耐磨材料制造 钢制量规测量面的硬度应为 HRC58 65 量规测量面的表面光洁度应按 GB 1031 68 表面光洁度 量规应经过稳定性处理 标志与包装 1 在塞规测头端面和其它量规的非工作面上应标志 1 制造厂商标 2 被检工件的基本尺寸和公差带代号 3 量规的用途代号 单头双极限的量规可不标志 T 表示通规的用途代号 Z 表示止规的用途代号 4 出厂年号 用于检验工件基本尺寸小于 14 毫米的塞规 上述标志可标在手柄上 当单 独供应时 塞规测头应有上述标志的标签 2 在产品包装盒上应标志 1 产品名称 2 制造厂商标 3 被检工件的基本尺寸和公差带代号 3 量规在包装前应经历防锈处理 并妥善包装 4 量规应有产品合格证 对于位置量规 当零件被测要素和 或 基准要素为中心要素时 位置量规测量部位和 或 定位部分的尺寸 形状 方向和位置度英语零件上相应北侧要素的时效便结伙 最大尸体边界的尺寸 形状 方向和位置相同 当零件基准要素为轮廓要素 主要指平面 时 位置量规规定位部位的尺 寸 形状 方向和位置应与零件上相应基准要素的尺寸 理想形状 方向和位 置相同 当导向部位兼作测量部位或定位部位 即无台阶式 时 其尺寸 形状 方向和位置按测量部位或定位部位确定 当导向部位仅起导向作用 即台阶式 上海交通大学硕士研究生论文 11 其尺寸 形状由设计者按量规结构要求确定 其方向和位置按所引导的测量部 位或定位部位确定 一般情况下 在被测要素和基准要素的尺寸 如孔或轴的直径 槽和凸台 的宽度等 检验合格后 再使用位置量规检验 检验零件时 操作者应该使用新的或者磨损较少的位置量规 检验者应使 用与操作者相同型式且已磨损较多的位置量规 用户代表应使用接近磨损极限 的位置量规 技术要求 位置量规的技术要求与光滑极限量规的要求相似 除了 位置量规工作表面的表面粗糙度 Ra 值不大于 0 2 m 非工作表面的 Ra 值 不大于 3 2 m 用不去除材料方法获得的表面除外 1 3 3 检具的制作及运用检具的制作及运用 产品检测计划的制定为检具的设计提供了基础 设计据此结合图纸 产品 的 3D 数模及检具设计的通用规则 使用现有非常流行的 3D 设计软件可以进行 检具的结构设计 综合而言 需要考虑 1 检具的实用性 如 便于操作人员的搬运 防止日久生锈 可加工 性等 综合考虑选取密度较小的材料诸如 铝 代木 有机玻璃块 等材料 2 检具的安全性 检具在生产过程中使用的频率较高 对人身安全因 素必须加以考虑 如不允许有锐角的出现 底板考虑安装支撑块等 结构 3 检具的可操作性 检具的设计应以简单 实用为原则 满足操作人 员的日常使用 检具制作完毕后 如果内饰产品已经经过试样 并准备送样 此时把产 品固定在检具上 利用三坐标测量机根据原先制定的产品测量计划对产品逐 一打点 做好产品的测量工作 如下图 1 10 所示 Figure 1 10 The Points Measured 上海交通大学硕士研究生论文 12 1 4 逆向工程技术介绍逆向工程技术介绍 1 4 1 几种商用逆向工程系统和模块几种商用逆向工程系统和模块 迄今 在国际市场上出现了多个与逆向工程相关的软件系统 主要 美国 IMAGEWARE 公司产品 SURFACER7 1 英国 DeICAM 公司产品 COPyCAD 英国 MDTV 公司的 STRIM AND SURFACE RECONSTRUCTION 英国 RENISHAW 公司的 TRACE 等 在一些流行的 CAD CAM 集成 系统中也开始集成了类似模块 如 UG 中的 POINTCLOUD PRE E 中的 PRO SCAN 功能模块等 已有关逆向工程的研究与开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了 RE SOFT 软件系统 IMAGEWARE 公司的 SURFACER7 1 主要有四个方面的功能 1 扫描点的分析及处理 可接收来自不同数据来源 如 CMM 2 曲 面模型构造 快速而准确地把扫描点变换成 NURBS 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 在曲面的 重建方面 该系统主要采用下列方法 1 可由扫描点直接产生曲面而不需要经 过建造曲线的过程 亦可先建周边曲线 而后用该边界与其内部的扫描点群来 产生曲面 2 首先在扫描点群中构造 MURBS 曲线 然后 根据曲线来产生曲 面 DeICAM 公司的 C0PyCAD 主要有五个方面的功能 1 数字化点的输入与 处理 包括数据输入与数字化点数据的变换与处理 2 三角形划分可以根据用 户定义的允差三角化数字化模型 3 特征曲线的生成 以交互手动或自动的方 式从三角形模型中提取特征线 或直接从外部输入特征线 4 利用特征线构成 的问格构造曲面片 然后通过指定曲面片之间的连续性要求来实现曲面片之间 的光滑拼接 5 曲面模型精度 品质分析 MDTV 公司 STRIM 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里 以去除坏点 从而提高数字化点的精度 3 建立 线框摸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 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 NURBS 曲面 从它们的功能或操作方法来看 他 们的共同特点是先构造曲线 或者是利用曲线直接构造曲面 或者是通过曲线 界定曲面拟合区峪 先生成曲面片 然后通过拼接构成完整的曲面模型 其优 点是 NURBS 曲面的应用在 CAD CAM 领域内相当广泛 因而 这些系统与 其他 CAD CAM 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 RE SOFT 系统采用了全新的三角 BEZIER 曲面模型 它首先建 立数字化点的三角形 接着在三角形网格的网孔内蒙上三角 BEZIER 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 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 上海交通大学硕士研究生论文 13 形网格进行必要的简化和调整 使得网格表示的曲面模型与实物一致 最后 在三角网格的网孔内构造三角 BEZIER 曲面曲面片 各个相邻曲面间自动实现 GC1 连续 其优点在于三角形曲面在表现形状方面最为灵活 它能适应各种复 杂的形状和边界 因而 RE SOFT 在保形性方面明显强于国外的产品 另外 由于不需要过多地采用交互手段构造曲线 所以 RE S0FT 操作非常简单 缺点 是由于采用三角 BEZIER 曲面模型 使 RE 一 S0FT 与其他的 CAD CAM 的通 信不大方便 为止 在新版本的 RE 一 SOFT 中重点解决了复合三角 Bezer 曲 面的分块 NURBS 重构和 IGES 输出问题 同时 已 RE SOFT 还集成了基于三 角 Bezler 曲面模型的曲面加工模块 实际上 RE SOFT 已成为目前解决复杂产 品逆向工程 CAD CAM 问题的最具有特色的软件系统之一 另外还有一类系统它们不建立曲面模型只是通过一些处理将测量数据直接转 换为 NC 程序 这里就不再多述 1 4 2 逆向工程技术的工具介绍逆向工程技术的工具介绍 ATOS 是德国 GOM 公司所出产的精密光学测量仪 它独特流动式的设 计 在不需要任何平台 如三座标测量仪 数控机械或机械手等 支援下 用 者可随意移动测量头到任何位置作高速测量 而所测数据会自动合并 非常适 合测量各大小模型 如汽车 摩托车外形及零件 大型模具 家庭电器等 整个测量过程是基于光学三角形定理 自动影像摄取 再经数码影像处理 器作分析 至数据产生只是数秒之内的工序 非接触式的测量 适合任何类型 物件 如人体 软物体或不可磨损的模具及样品等 应用范围 反向工程 模型改动后数据转移返原有 CAD 档案 直接仿形铣加工及作快速成型用途 测量数据与 CAD 原有模型作公差比较 计算机辅助技术如 CAD CAM FEM 等都需要对样件进行精确的三维测 量 用以实现数学模型与实际零件完全一致 ATOS the Advanced Topometric Sensor 光学扫描系统可实现对工件的高 分辨率高速扫描 每幅扫描照片可获得工件表面 400 000 个点的三维坐标 并 以点云的形式以多种格式输出 供 CAD CAM 使用 组成结构 光学扫描头 电脑和驱动控制器 便携式三脚架 镜头校准板 测量原理 ATOS 测量系统的测量过程是基于光学三角形原理 系统将一组不同的光栅条纹投影到工件表面 通过两个 CCD 照相机分别从不 同的角度对工件表面