基于快速反求技術(shù)的USB四口接線器上面板注塑模具設(shè)計(jì)【材料成型及控制工程專業(yè)資料】
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1.通過逆向工程的方法提高模具制造
生產(chǎn)工具(更出名的名字是模具)在廣泛的消費(fèi)品制造業(yè)中是基本的元素。模具的設(shè)計(jì)和制作在新產(chǎn)品的開發(fā)中是一個(gè)很漫長和昂貴的步驟。正是這種原因,任何提高模具制造的努力都有利于減少時(shí)間和成本。
如今,現(xiàn)代的 CAD / CAM技術(shù)和五軸高速銑削[1]允許：
·模具的一個(gè)快速設(shè)計(jì)從CAD三維模型的部分開始；·電火花電極的結(jié)構(gòu)，要克服與幾何形狀有關(guān)的問題而不是用銑刀加工的問題；·新一代的數(shù)控刀具路徑,使用計(jì)劃開發(fā)來減少機(jī)械加工時(shí)間[2]；·高分子材料的成就在于粗加工的切除率；·完成后更好的尺寸公差和低粗糙度[3,4]。
不管切割技術(shù)已經(jīng)相差多遠(yuǎn),在把模具投入使用之前,下列操作仍然總是被要求的：
·手工精加工,通過去除銑削和電火花加工留下的標(biāo)志來獲得光滑的表面；·裝配，確保模具正確的關(guān)閉
一方面,拋光和裝配確保模具成型,但另一方面,他們用不以數(shù)學(xué)確定的方法修改內(nèi)腔表面。據(jù)此,最終真正的幾何模具沒有反映了任何一個(gè)原始的CAD模型(理想的幾何形狀)?，F(xiàn)在CAD軟件資源不允許消除這種不一致。
另一個(gè)方面,經(jīng)常被忽視的,是介紹模具的微小變化。精加工完成后,模具有時(shí)候被修改成反映產(chǎn)品最后的形狀修改。在那種情況下,模具制造廠家直接修改模具而沒有更新CAD模型。因此,可能會(huì)有問題:
· 在組裝期間,屬于模具的那一部分；· 當(dāng)模具因?yàn)槟p和折斷不得不更換
缺乏CAD模型和模具實(shí)際幾何增大之間的定位，產(chǎn)品開發(fā)和發(fā)行的加工成本和時(shí)間增加。逆向工程技術(shù)給模具制造商提供了新的機(jī)會(huì)克服這種問題。近年來,非接觸式數(shù)字轉(zhuǎn)化設(shè)備主要在計(jì)算精度和若干點(diǎn)每單次數(shù)量測(cè)量掃描已經(jīng)被改進(jìn)。高掃描速度使得用戶允許在幾秒鐘內(nèi)檢索模具表面幾十萬(甚至百萬)的點(diǎn)。高密度點(diǎn)云所包含的信息既可用于模具的質(zhì)量控制又可用于CAD模型修正[5,6]。
彩色偏差映射圖,顯示結(jié)果為一個(gè)CAD數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對(duì)比,提供一個(gè)完整的公差和偏差分析。用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)逐點(diǎn)檢查點(diǎn)位測(cè)量一些分散的點(diǎn)，那遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們能力范圍[7、8]。
評(píng)估型腔表面整體和局部的偏差，去鑒定機(jī)加工錯(cuò)誤和探討加工誤差產(chǎn)生的原因。在把模具投入使用之前，考慮模具型腔表面色差圖,對(duì)減少安裝時(shí)間也是有用的。檢查的結(jié)果擴(kuò)展到整個(gè)圖案表面和不限于一些逐點(diǎn)的措施可以分析：
·當(dāng)模具的實(shí)際面比相應(yīng)的CAD模型“更高”，定義重新機(jī)械加工的策略。這意味著有一些殘存的材料仍能去除?！z測(cè)不可恢復(fù)的錯(cuò)誤和調(diào)查這件事產(chǎn)生的原因,當(dāng)模具的實(shí)際表面比相應(yīng)CAD模型“下”。 這意味著沒有殘余材料,供進(jìn)一步機(jī)械加工或手動(dòng)整理。在這種情況下, 如果錯(cuò)誤超出公差范圍模具不能投入使用。
另一方面,逆向工程資源可用于更新模具數(shù)學(xué)模型，通過:
·模具的凹模和凸模的數(shù)字化，得到與輸出一樣的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。·母模表面的重建。·模具的三維CAD模型產(chǎn)生
本文旨顯示非接觸式檢查對(duì)比逐點(diǎn)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。在拋光和裝配操作后，模具的三維CAD模型更新也應(yīng)該成為模具制造商一個(gè)好的練習(xí)。一個(gè)程序定義使用普通的逆向工程技術(shù)和軟件包來完成這一任務(wù)。
2、 插入數(shù)字化圖像和檢查 (CAD模型比較)
模具的插入件是由輕合金組成的(圖1)。
在數(shù)控機(jī)床粗加工之后，凹模的形狀由位于相機(jī)手柄微小的槽內(nèi)的電火花進(jìn)行精加工。因?yàn)槠湟?guī)模,事實(shí)上,這些槽不能進(jìn)行銑削加工。
在銑削操作完成后凸模型腔的右半邊沒有被處理,所以它仍然顯示45°的交叉銑削的軌跡。另外一半的型腔機(jī)械加工后，反而進(jìn)行拋光(圖2)。這樣的手工操作被引入評(píng)估,是否非接觸式掃描儀能正確區(qū)別不同的拋光兩半邊。
為了指出非接觸式檢驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，模具的插入件被數(shù)字化用于GOM GmbH制造的光學(xué)掃描儀ATOS標(biāo)準(zhǔn) (圖3)。大型模具或產(chǎn)品的非接觸式掃描比比接觸掃描和底切省時(shí)間，通過改變光學(xué)傳感器的相對(duì)位置就可以很容易地?cái)?shù)字化。此外，而現(xiàn)代光學(xué)掃描儀的準(zhǔn)確度和分辨率允許定義零件邊緣有大量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。
圖1 模具插入件的照片 (外形尺寸:200×98×35毫米)
圖2 凸模的不同的加工表面
所選的掃描裝置利用立體視覺,由于它有兩個(gè)索尼XC75內(nèi)置CCD攝像機(jī)（分辨率768×572像素/ 8位)光掃描儲(chǔ)存的圖像邊緣投射在物體。投影機(jī),放置在傳感器的中心,依次投影十幻燈片:4張干涉圖(相移技術(shù)[9])后面跟著六條灰色編碼[第十條、第十一條]的二值圖像。六位代碼允許區(qū)分的26-64列的視野。
考慮模具插入件的總體尺寸,掃描器在距離工作區(qū)域外600毫米160×200毫米的區(qū)域校正。這樣配置的掃描儀的準(zhǔn)確性就像裝置說明書里一樣為0.06毫米。
圖3 三維掃描技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和帶有參考點(diǎn)標(biāo)記凹模
在數(shù)字化之前，為了避免光反射金屬典型表面的問題一層薄薄的白色不透明的粉末是灑在插入件。此外,參考點(diǎn)應(yīng)用于是插入件的粘合劑粘在目標(biāo)(即標(biāo)記）含有較少的細(xì)節(jié)的區(qū)域。多重掃描是一個(gè)點(diǎn)云的自動(dòng)記錄，就像掃描軟件識(shí)別到了由標(biāo)記員創(chuàng)建的固定坐標(biāo)網(wǎng)格。缺乏數(shù)據(jù)標(biāo)記物覆蓋的區(qū)域,但GOM的軟件允許對(duì)象模型完整的虛擬。錯(cuò)誤記錄顯示在表1是GOM軟件在調(diào)整過程以標(biāo)記的坐標(biāo)格子為基礎(chǔ)計(jì)算的。
Inus技術(shù)有限公司的Rapidform軟件是用來模具檢測(cè)的。分成三角形的點(diǎn)云模型和傳統(tǒng)的CAD模型對(duì)比的結(jié)果，由軟件計(jì)算并按照平均距離,標(biāo)準(zhǔn)偏差和最大距離顯示在表1。
照相機(jī)機(jī)身的外部表面修改的逆向形狀將呈現(xiàn)出大放異彩。同樣的投影被復(fù)制到凸模的插入物。改進(jìn)的模具插入物經(jīng)數(shù)字化后,型腔表面根據(jù)曲線網(wǎng)絡(luò)方法產(chǎn)生。重構(gòu)表面和點(diǎn)云數(shù)之間的最大偏差要小于0.03毫米。這樣的結(jié)果是令人滿意的，并且較大的偏差位于每個(gè)板塊上的小范圍內(nèi)。
圖16修改后的凹模插入件
尖銳邊緣的計(jì)算錯(cuò)誤最高，可能的原因是在數(shù)據(jù)數(shù)字化過濾中雜音應(yīng)用重建精度的60%。（它對(duì)于軟件是非常需要的。）使用這樣的精確度,每個(gè)單個(gè)表面的重構(gòu)誤差 (那就是不均勻點(diǎn)和相應(yīng)的掃描數(shù)據(jù)之間的平均偏差）通常小于十分之一毫米(10微米), 這就與攝像機(jī)機(jī)身的注塑模具公差高度一致。用更高的精度值，有時(shí)候，表面生成算法缺少產(chǎn)生的不均勻曲線，因?yàn)樵诒砻纥c(diǎn)自由度計(jì)算較少或生成的表面都太過復(fù)雜以至于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)難以的正確掌握。柄上的溝槽表面產(chǎn)生相當(dāng)大的錯(cuò)誤?；蛟S,在這樣一個(gè)區(qū)域比較好的不均勻曲線依靠細(xì)槽側(cè)面曲線可能會(huì)獲得更好的結(jié)果。通過型腔的重建表面加工固體成型的第一層產(chǎn)生 最新后的凸模CAD模型(圖17)。
圖17凸模插入件更新后的CAD模型
凹模上相應(yīng)的孔是由實(shí)體之間布爾減創(chuàng)建的,為保證一個(gè)完美的裝配。修改后的凹模(圖18)則是依靠重建表面的掃描數(shù)據(jù)塑造的。
圖18 凹模插入件更新后的CAD模型
7、 結(jié)論
本文指出模具制造商如何從非接觸式檢測(cè)和反求工程技術(shù)模具制造標(biāo)準(zhǔn)中獲益。由于最近光學(xué)掃描儀的性能的改善，模具的非接觸式質(zhì)量控制為圖形提供了尺寸和幾何公差的完整的信息，以在投入使用之前檢查制造的工具是否正確。非接觸式檢測(cè)也可以用來監(jiān)控模具連續(xù)工作幾周或幾個(gè)月后的磨損和磨蝕。當(dāng)使用高強(qiáng)度的模具材料時(shí)，這是特別令人關(guān)注的。
另一個(gè)優(yōu)勢(shì)來自模具包括產(chǎn)品由于拋光和裝配的手工操作關(guān)鍵修正的實(shí)際的幾何形狀改變后原始CAD模型的更新。當(dāng)?shù)毒咭蚰p或折斷被替換時(shí)，更新后的模具CAD模型降低了生產(chǎn)和調(diào)整了次數(shù)。
在本文中，一個(gè)相互作用的程序從掃描數(shù)據(jù)開始試驗(yàn)和確認(rèn)重建和更新模具CAD模型。 掃描階段與無觸點(diǎn)的檢驗(yàn)是相似的，它的過程甚至更短暫：所有的模具插入件都會(huì)在一個(gè)工作日內(nèi)被數(shù)字化。表面重建的步驟與CAD模型的創(chuàng)造而是需要更長時(shí)間，每個(gè)模具插入件都需要一個(gè)工作周來完成。
每個(gè)板塊的創(chuàng)造都依靠軟件處理是一項(xiàng)艱難的工作，此外，操作員每一次都必須互相配合以確保下一塊表面的創(chuàng)建。一旦曲線網(wǎng)絡(luò)被創(chuàng)建，如果人們可以在自動(dòng)創(chuàng)建表面之前就可以立即選好所有的塊，那么人類的干涉可能是不必要的了。
關(guān)于模具的CAD模型的創(chuàng)建，經(jīng)營者需要開發(fā)出建模功能使重建的標(biāo)準(zhǔn)表面轉(zhuǎn)化成實(shí)體。有時(shí)，返回到前面的步驟也是必要的，這可以減少不均勻曲線命令，因?yàn)樘珡?fù)雜的表面不易于用CAD軟件包來完成。為了簡化相互作用的程序，宏指令可能會(huì)被用作每個(gè)表面的創(chuàng)建。使重建模具數(shù)學(xué)模型的過程自動(dòng)化的建議可以作為將來更遠(yuǎn)的活動(dòng)的出發(fā)點(diǎn)，這無疑需要改進(jìn)用于實(shí)際的曲線網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建的自動(dòng)化軟件算法。
毫無疑問，如今利用自動(dòng)化的表面重建功能就可以在很短時(shí)間內(nèi)獲得模具或產(chǎn)品的數(shù)字模型，但得到的模型其質(zhì)量一般不高，而且很難進(jìn)一步修改其形狀。如果在最后一分鐘有需要或問題需要解決，他會(huì)是一個(gè)很好的折衷辦法。當(dāng)缺乏模具或產(chǎn)品更新的三維模型,為了使它保持可供未來設(shè)計(jì)使用，此時(shí)人類的干預(yù)的基本過程時(shí)間更長。在這種情況下應(yīng)該使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的方法,效益存在在較高的模型質(zhì)量和物體形狀修改的解除。
作為一個(gè)額外的例子，這個(gè)被推薦的程序適用于大量定制產(chǎn)品的逆向工程：兒童滑雪靴（圖19）
圖19兒童的滑雪鞋(外形尺寸240×180×85毫米)
在曲線網(wǎng)絡(luò)定義時(shí)只有依靠用戶交互作用才能方便執(zhí)行掃描數(shù)據(jù)的細(xì)分，這樣就能得到最終的高質(zhì)量的CAD模型（圖20）
圖20的滑雪靴子的重建CAD模型
實(shí)際上，重建的數(shù)學(xué)模型對(duì)于原始掃描數(shù)據(jù)只有一個(gè)小于0.01mm的平均偏差。此外，通過適當(dāng)?shù)姆指?，表面灰色的柔韌部分（小孩子穿進(jìn)靴子的地方）從剩下的靴子部分分開，所以重新設(shè)計(jì)雪地靴的時(shí)候這兩部分可以單獨(dú)分開修改。
在逆向工程重建中關(guān)鍵的一步是數(shù)據(jù)掃描分割中的人類因素和對(duì)于獲取可利用的高質(zhì)量數(shù)學(xué)模型的經(jīng)驗(yàn)，這是很有必要的。一個(gè)可以代替用戶干涉并且自動(dòng)細(xì)分的復(fù)雜系統(tǒng)還很遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)。
然而，在不久的將來，只要先進(jìn)的軟件算法將模具CAD模型的更新步驟簡化，那些普遍采用逆向工程模具制造廠商在他們的競爭對(duì)手將占有優(yōu)勢(shì)。
原文：1.L.Iuliano & P.Minetola 《Through reverse engineering methods to improve the manufacture of molds》
任 務(wù) 書
院（系）： 專業(yè)：
班 級(jí)： 學(xué)生： 學(xué)號(hào)：
1、 畢業(yè)論文課題 基于快速反求技術(shù)的USB四口接線器上面板注塑模具設(shè)計(jì)
2、 二、畢業(yè)論文工作自 20xx 年 3 月 12 日起至 20xx 年 6 月 15 日止
三、畢業(yè)論文進(jìn)行地點(diǎn) 廣東石油化工學(xué)院
四、畢業(yè)論文的內(nèi)容要求
(一) 設(shè)計(jì)之原始數(shù)據(jù)：
制品精度等級(jí)：四級(jí) 制品材料：ABS
流道： 普通流道 生產(chǎn)批量：大批量生產(chǎn)
其余見附圖
(二) 設(shè)計(jì)計(jì)算及說明部分內(nèi)容：
1、塑料工業(yè)的地位與影響
2、反求工程的介紹與基本流程
3、塑料制品的注塑工藝分析
4、擬定設(shè)計(jì)方案：
掃描實(shí)體轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云數(shù)據(jù)；點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化實(shí)體模型；選擇注射機(jī)型號(hào)；確定分型面及考慮排氣措施；模具總體結(jié)構(gòu)、凹凸模結(jié)構(gòu)的確定，同時(shí)考慮模具制造工藝的可行性；成型零件的尺寸設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，確定澆口形式和位置，決定主流道、分流道和冷料井的形式及尺寸；脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)或確定所選用的標(biāo)準(zhǔn)模架；冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
5、校核的內(nèi)容：
模具與注射機(jī)有關(guān)參數(shù)的校核；對(duì)澆注系統(tǒng)流道和塑料件的流程比校核；模具型腔壁厚和墊板厚度的強(qiáng)度與剛度校核；
(三) 設(shè)計(jì)圖紙
設(shè)計(jì)圖紙折合≥2張零號(hào)圖。
(四)附屬專題
1、專題外文翻譯
檢索與閱讀與設(shè)計(jì)題目相關(guān)的外文資料，并書面翻譯2000~3000字的外文資料(附原文)。
2、撰寫文獻(xiàn)綜述
檢索與閱讀與設(shè)計(jì)題目相關(guān)的文獻(xiàn)資料，完成3000~5000字的文獻(xiàn)綜述。
(五)部分參考書目
1、《Geomagic Studio逆向工程技術(shù)及應(yīng)用》 成思源、謝韶旺編 清華大學(xué)出版社
2、《塑料膜設(shè)計(jì)手冊(cè)》 塑料模設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組編 機(jī)械工業(yè)出版社
3、《塑料制品與模具設(shè)計(jì)》 徐佩弦編 中國輕工業(yè)出版社
4、《塑料模具課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)與范例》 楊占堯編 化學(xué)工業(yè)出版社
5、《塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)》 葉久新 王群編 機(jī)械工業(yè)出版社
6、《 Pro/ENGINEER wildfire產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例精解》 曹巖編 機(jī)械工業(yè)出版社
7、《Pro/ENGINEER wildfire中文版習(xí)題精解》 佟河亭編 人民郵電出版社
8、《Pro/ ENGINEER wildfire模具設(shè)計(jì)》 張祥杰編 中國鐵道出版社
9、《模具CAD/CAM實(shí)用教程Pro/ENGINEER軟件》 黃曉燕 清華大學(xué)出版社
指導(dǎo)教師
接受論文任務(wù)開始執(zhí)行日期 20xx 年 3 月 12 日
學(xué)生簽名
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