知识工程在覆盖件模具设计中的应用

知识工程在覆盖件模具设计中的应用

刘志明

刘志明

麦格纳技术与模具系统(天津)有限公司天津300000

摘要：随着计算机辅助几何设计的理论和技术的发展,以及CAD/CAE/CAM集成系统的开发和商业化,产品实物或模型首先通过扫描以及各种先进的数据处理手段获得产品的几何信息,然后充分利用CAD/CAM技术快速、准确地建立产品的数学集合模型,经过适当的工程分析和CAM编程,就可数控加工出产品模型,最后制成产品,实现从产品(样件)———再设计———产品(批量)的制造过程。这种实物测量反求技术广泛应用于产品改型,模具设计等生产活动中;特别是对于具有复杂曲面外形的产品,如汽车、摩托车的复杂外形,也是消化、吸收先进技术进而改造和开发各种新产品的重要手段,据此构成了反求工程的主要思想。

关键词：知识工程；覆盖件；模具设计；应用；分析

1导言

在覆盖件模具设计过程中，拉深工序件的设计是覆盖件工艺设计的关键，它直接影响到产品质量、材料利用率、生产效率和制造成本&并从根本上决定了后续成形工艺的可行性。拉深工序件是覆盖件工序设计的结果，同时也是模具结构设计和制造的依据。由于覆盖件本身的复杂性，工序件的设计十分复杂和耗时，已成为覆盖件模具设计的一个瓶颈。

2数据采集

2.1海量点云的采集思想

根据D.Brujic通过大量模拟分析得出的一个重要的结论:点云数据采集采用较高精度大量点云,与很高精度的小量点云相比,使用较高精度的大量点云能实现更精确的形状描述和最后的曲面拟合,如测量点集趋于无穷多,则可认为逼近误差接近于零。因此对汽车覆盖件实施逆向工程时,在采集数据点集方面采用一种较新的采样方法———较高精度的大量点云,抛弃传统采集数据的思想———很高精度的小量点云,通过先进的照相测量技术获得海量点云。同时针对立体视觉测量系统中存在的测量特征点识别、提取与匹配的困难,运用有中心标志点的投影栅格立体匹配方法,有效降低了特征提取的难度,解决了匹配歧义性,提高了匹配的准确性和精度。

2.2数据采集的硬件

海量点云是由TRITOP数码相机测量系统获得的。数据采集具体作法是将高分辨率CCD摄象机安装在CMM的横梁滑座上,使其可以在多个视角下拍摄被测物体的图像,构成一典型的双(多)目立体视觉测量系统。检测信号经过传输线送到插在计算机槽上的图像处理卡上,图像卡把模拟信号转换成数字信号,并储存于图像卡上的存储单元,同时图像卡将输出模拟信号到监视器上。将摄影机采集的图像像素经过图像处理后,便可以将得到的图像像素转换成样品所需部分的三维轮廓图像。上述数据采集的原理是利用照相技术来测取覆盖件特征标志点的三坐标位置。综合测量精度在0.1mm/1000mm以内,基于结构光的ATOS非接触式坐标机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,扫描精度每幅扫描照片精度达0.03mm,整体拼合扫描精度为0.1mm/m,并以点云的形式以多种格式输出,供后续CAD/CAM/CAE使用，因此需要引起足够的重视。

3基于CAD/CAM/DNC下的反求工程

采用先进的设计思想和设计手段,在计算机网络及CAD/CAM技术的支持下,可建立基于反求工程的模具CAD/CAM/DNC集成化环境,在建立模具全数字化三维的基础上,可以快速实现产品的再设计。

3.1环境配置

硬件环境由30台NT工作站,3台数控加工中心,1台三坐标测量机组成模具设计与数控加工环境局域网。利用NT工作站对模具进行三维实体(曲面)造型、模具装配模拟检查、实体加工仿真模拟、数控加工到位文件生成和NC后处理。3台CAM工作站用于对加工中心和数控机床的控制,以计算机直接数控(DNC)的方式控制机床的在线加工。支撑软件采用美国PTC公司的Pro/E2001,利用Pro/E2001强大的造型功能,准确完整地表达和描述模具的复杂曲面和实体模型,然后进行加工切削仿真,检查加工中的过切现象和加工刀位的合理性,从而取代实际试切,降低成本,节约加工工时。

3.2应用过程

在模具CAD/CAM/DNC一体化集成环境的支持下,进行复杂模具计算机辅助设计与数控加工(CAD/CAM/DNC)的基本过程如下：一是根据加工模具的结构形状及设计要求,利用Pro/E软件的三维造型(实体和曲面)设计建立完整、准确的模具三维实体(曲面)模型。二是在模具三维主摸型的基础上,利用Pro/E软件的加工模块拟定模具加工工艺(粗、精加工),选择相应的加工参数及有关选向。三是生成模具数控加工的刀位文件。四是利用Pro/E软件进行数控加工的实体加工仿真模拟,检查刀位文件的合理性及有效性,以代替实际试切过程。五是根据具体加工机床进行刀位文件的后处理,生成该机床的数控加工指令(加工代码)。六是将模具的数控加工代码,采用DNC方式,控制数控机床(加工中心)的在线加工。

4实例

由于汽车覆盖件大都是空间结构、形状复杂,从而决定了在冲压成形中的变形复杂性、变形规律不易掌握、出现的质量问题也比较多。模具设计中不能向轴对称零件那样可以较容易地计算出主要工艺参数,模具参数等。但是由于汽车覆盖件多数是一次拉深成形的,利用反求工程可以解决模具设计中的一系列的问题。下面以汽车覆盖件的模具设计为例,描述基于反求工程的模具CAD/CAM/DNC的一体化过程。

4.1数据的测量与CAD造型

在模型表面数字化中,采用以3DFAMILY公司生产的LSH600激光扫描测量系统测量。采集模型表面或特征线的坐标值,把采集的数据存入计算机中。根据模型制造的需要,对测得模型进行噪声处理,多视图拼合,比例缩放、镜像、旋转、平移等处理,基于最小二乘法进行数据的光顺,压缩不必要的数据点-以减少后期计算量。将处理后的3D点数据以QITECH格式输出。为了满足Pro/E的数据格式,必须在文件开头加入Openarclength、Beginsection以及每开始处加入Begincurve,生成Pro/E能够识别的.ibl数据格式。Pro/e软件的Scantool模块有线的控制点移动(controlpoly)、拟合(composite)、断裂(split)、组合(merge)、投影(projected)等功能,可去除特征曲线的坏点,并对特征曲线进行光顺处理,从而可以保证曲面的光顺性。

4.2NC程序的自动生成及数控加工

将获得的型腔板在Pro/E的ManufacturingNC中打开,建立毛坯,根据型腔曲面选择不同的刀具和加工方式,设置合理工艺参数、切削用量、主轴转速等参数。模拟仿真确认无误后,选择加工中心的后处理器,系统自动生成铣削定位NCI和NC文件,通过网络与机床通讯并实施加工。

5结论

基于反求工程技术,在计算机网络和CAD/CAM集成技术的支持下,建立模具CAD/CAM/DNC集成化环境,不但缩短了模具的设计制造周期,而且大大地降低了模具的生产成本,保证了模具的加工质量,提高了数控设备利用率,实现了模具的快速制造。同时为进一步实施分散化网络制造奠定了坚实的基础。

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