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当大型曲面类产品的快速制造技术研究

发布时间:2021-09-10 16:24:19 阅读: 来源:皮影厂家

大型曲面类产品的快速制造技术研究

随着信息时代的到来和制造业全球化趋势的加剧,市场对产品的性能、价格和交货期的要求更加苛刻,产品的生命周期缩短、品种增多、批量变小。这些都要求制造企业能够快速开发出高质量的产品,以响应市场的需求、提高自身的竞争力。

大型复杂曲面类产品开发难度大很多客户容易疏忽掉实验机的检定方法、周期长并且质量难以保证,采用传统的开发手段已经不能适应市场激烈竞争的要求。作者所在的研究所采用全新的技术手段,仅用三个月即完成了总后某单位委托的1﹕1人体模型的模具和10套样件制作,由此也探索出了一种关于此类产品的快速开发模式。

1、大型曲面类产品快速制造的新技术

人体具有形状独特而复杂的自由曲面,难以直接描述,工业设计和详细设计时一般均不能直接建立CAD模型。通常是以模型(如石膏模型或粘土模型)或经手工修整后的样件为设计原型。

在我们的人体模型开发中,委托方提供了一个1:1的石膏模型,要求构造CAD模型,并对手、脚、髋等部位的形状进行修改;模型的主要部位壁厚为5mm,身高172cm,误差均要求小于±0.5mm,左右严格对称;另外要为模型添加各个关节:肩、髋、膝、踝、肘关节均有特定的要求,最终提供10套样件,要求样件能模仿真实人体的大部分动作姿势,如站、走、坐等。

在对开发任务进行深入、细致地分析以后,我们确定了三维反求——CAD模型重构——CAD再设计——快速原型制作——快速模具制造的技术路线。

1.1 三维反求及曲面重构

从实物样件获取产品数学模型技术相关的技术,已发展为CAD/CAM中一个相对独立的范畴,称反求工程(Reverse Engineering)。目前大多数有关反求工程的研究都集中在几何形状,即重建产品实物的CAD模型方面,又称“三维反求”。它是模型再设计、快速原型制作和快速模具制造等后续步骤的基础。

三维反求主要包括两个步骤:对象数字化(Object digilization)和曲面重构。

1.1.1 对象数字化

对象数字化是利用相关的测量设备,根据产品模型测量得到空间拓扑离散点数据。测量设备可分为接触式和非接触式;非接触式测量速度快,可相当密集地对产品表面进行测量,形成所谓的“点云”数据,方法主要有光栅投影、激光扫描、光学三角形、三维视觉法工业CT(Computed Tomography计算机断层摄像)和逐层切削照相测量,使用最广泛的是光学三角形法和光栅投影法。

光学三角形法测量的基本原理[1]是利用具有规则几何形状的测量光源投影到被测表面上,形成漫反射光带,并成像于空间某位置的图象传感器,根据三角形原理测出被测表面某位置的空间坐标。

本案例中需要测量的人体模型尺寸较大,不需要测量内腔尺寸,且整体形如果飞机没有利用阻燃材料状精度要求高,如脚与腿的相对位置就不得有扭曲现象。考虑到这些特点,测量时采用了德国GOM公司的ATOS测量仪,它使用可见光带。测量速度与Krcon公司的激光测头类似,可以超过10000点/秒,测量范围为500mm~10m。

图1 人体模型的测量点

对于大尺寸模型,通常需要多次测量,然后将得到的不同部位数据拼合获得整个模型的全部数据点信息。ATOS配有XL数码相机,用于扫描预先设置的定位点。在这些定位点信息获得后,待测模型在随后测量过程中就可以自由地翻转,但需要保证模型各部分相对位置不变,即形状不能改变。随后的扫描是依次进行的,相邻两次测量必须有三个或三个以上的共同的定标点都被测量到,通过这些共同定标点就可以将数据拼合,最后用预先获得的总体形状信息将所有数据归一化。

1.1.2 曲面重构

三维反求中,曲面重构有如下特点:①曲面型面数据散乱,且曲面对象边界和形状复杂,因而一般不便直接运用常规的曲面构造方法;②曲面对象通常不是由一张曲面构成,而是由多张曲面经过延伸、过渡、裁剪等混合而成,因而要分片构造;③在反求中为了保证数字化的完整性,相邻次测量数据之间还有一定的重叠,这就导致“多视拼合的问题” [2](multiple view combination)。目前主要有2种曲面重构方法:一是以B-Spline或NURBS曲面为基础的曲面构造;二是以三角Bezier曲面为基础的曲面构造[3]。另外还有以多面体方式来描述曲面,三角面片(STL)模型最常用的一种。

大多数通用的CAD/CAM软件如Strim、 Unigraphics、Pro/Engineering、Cimatron等都提供反求模块,同时也有不少专门用来构造曲面的反求软件,如Delcam公司的CopyCAD、Imageware公司的Surface。专用的反求软件一般功能更强,主要体现在速度、适应性、可使用的曲面工具等方面。我们使用Delcam公司的系列产品中的专用反求模块CopyCAD进行人体模型的曲面重构,它针对不同的测量方法和不同的数据类型,提供了多种曲面构造方法,另外它可以直接利用点云构造STL模型,在STL模型基础上还可以进一步构造曲面模型,这样构造曲面也是分片进行的,不仅速度快,而且精度也高(依赖于构造STL模型时给定的误差)。

在CopyCAD中可以直接进入Delcam的另一模块PowerShape对所构造的曲面进行和修改,我们重新构造了原模型的脚、手掌使之更接近于真实人体,另外还调整了肩、髋处的曲面,以便于后续的关节设计。重构后的人体曲面模型如图所示。

1.2 CAX及接口技术

CAX技术是CAD、CAE、CAPP、CAM等计算机辅助单元技术的总称,它是CIMS、敏捷制造、并行工程等先进制造模式的基础。

三维反求获得的曲面模型还不能直接用来进行功能设计,因为它是多张无厚度的曲面围成的,这些曲面间还可能有缝隙存在,故还需在CAX系统中作必要的处理,然后进行功能设计。

可用于CAD建模、装配检验、机构模拟的商业CAD/CAM软件很多,如PRO/E、UG、IDEAS、CATIA等等,当然各种软件还具有自己的特色,如PRO/E的完全特征化实体建模功能对于零件建模极为方便,但用于本案例的CAD设计时,通过IGES接口输入的曲面模型会被当作一个整体的外来特征,缝合、构造实体等都不容易进行。而在UG、IDEAS中输入IGES形式的曲面模型时,每片曲面都被完全转换为软件自身的曲面格式,后续处理要方便得多。我们使用UG进行模型的再设计,同时用PRO/E进行关节的各零件设计。

在UG中,按关节设计方案将曲面模型切成头、躯干、大臂、小臂、大腿、小腿、脚共11部分;对每一部分进行曲面加厚(5mm),使之成为实体零件,然后再为关节的装配设计安装接口;将PRO/E中设计好的关节零件调入,在UG的装配模块中将各关节零件安装于相应的实体零件上,构成人体模型的各组成部件;再将各部件组装成最终的人体CAD模型,将各可动部件转动到极限位置,进行干涉检查,检验零件的设计是否合理,此时可以随时返回建模模块修改各零件。委托方仅要求模型能够模仿真实人体的大部分运动姿态,并不要求模型运动,因此在装配中能正确地模仿各姿态以后,CAD设计就完成了。此时输出各零部件STL模型,供随后的快速成型使用。图3是模仿人体跑步时的一个姿态,图4是模仿人跳远时的一个姿态。如果有运动要求,还可以在UG的机构分析模块中定义关节处的各种运动副,定义各部件的运动函数,进行运动仿真。

图3人体CAD实体模型(跑姿) 图4人体CAD模型(跳姿, 线框显示)

在反求和CAD设计过程中需要使用各种不同的软件系统,因此软件之间的接口技术成为工作能否顺利进行的关键,甚至关系到工作的成败。

系统间接口分为专用接口和通用接口两类,前者是某软件系统为另一个特定的系统提供的转换接口,它效率高、出错率低,但仅能对一种系统起作用,而且往往作为单独的模块出售。另外,某一种系统一般不可能为其他所有系统都提供专用接口,因此在使用多个CAD/CAM系统系统工作时一般使用通用接口。

通用接口是一种作为中间数据交换格式的数据标准规范,目前常用的通用接口有IGES、SET、VDA、PDES和STEP等。应用最广泛的是IGES和STEP。几乎所有软件都提供IGES(初始图形交换规范)接口, 它可以满足绝大多数几何信息转换要求,但数据文件大、转换时间长,某些几何类型转换不稳定。我们将DELCAM的曲面模型通过IGES格式转换到UG和PRO/E中都曾发现有部分曲面丢失或破损现象,需要进行修复处理。

STEP是基于集成的产品信息模型,是真正面向CIMS的产品数据定义和交换标准,理论上可以转换产品的所有信息,可用于各种场合,目前仍在发展中。我们的DELCAM系统未提供STEP接口,故使用IEGS进行人体曲面模型转换,而PRO/E与UG之间的模型转换均使用STEP接口进行。

1.3 快速原型制作及快速模具制造

完成CAD模型以后,就可以应用快速成型设备直接制作出各零件原型,根据零件的材料和批量,利用原型制造各种类型模具。

1.3.1 快速成型(Rapid Prototyping)技术

快速成型是80年代发展起来的新的成型方法,它基于材料添加原理,直接、快速地完成CAD模型到实物模型的制作。目前主要应用的有4种工艺,即立体光固化法(SLA)、分层物体制造(LOM)、熔积成型法(FDM)和选择烧结法(SLS)。

应用RP技术可以由CAD模型直接成型,省去各类复杂的工装准备,大大缩短产品开发周期,降低开发成本,尤其对传统方法难以加工的复杂曲面模型,优点更为突出。对于人体模型或装饰件等产品来说,一般对整体形状精度要求高,而局部的要求不算高,使用RP技术是非常合适的,此处使用西安交通大学研制的LPS-600光固化快速成型机进行原型制造,其精度为±0.1mm,允许最大零件尺寸为600×600(mm2)。制作人体模型时,除躯干部分需要从胸部分开,需两次成型外,其余组件均可一次成型。

关节零件使用的材料不同,而且配合精度要求高,但结构比较简单、规则,因此采用机械加工。

1.3.2 快速模具制造

复杂曲面类产品以冲压件和注塑件居多,需要先制造模具。传统的模具制造方法费用高、周期长,特别是对于单件、小批量的生产问题更加突出。快速模具制造技术利用硅胶等材料覆模、金属喷涂、翻制石墨电极模具等方法直接由零件原型制造模具。

采用何种方法取决于零件的材料和批量,硅胶软模一般用于100件以内的注塑零件,金属喷涂模用于千件以内的注塑件或某些冲压件,翻制的石墨电极模具在专用的石墨电极成形机(如西安交通大学开发成功的GET-500型整体石墨电极成型机)上加工整体石墨电极,用于钢模的电火花加工。考虑到委托方仅需要10套塑料模型,使用硅胶模具较为合适。翻制硅胶模具时要考虑硅胶收缩和注塑材料的收缩,因而最初进行CAD模型设计时需考虑收缩的影响。图5为人体的快速原型及头部硅胶模的下半模。在硅胶模中注入可自凝固的液态注塑材料,凝固后得到各零件,将关节零件安装到相应的注塑件上组成模型的各部件,组装这些部件即得人体模型。

(a) 人体快速原型 (b)头部硅胶模(下半模)

图5 快速原型及头部硅胶模

2、大型曲面类产品制造模式探讨

大型复杂曲面类产品的开发体现了多学科的综合应用,上述新技术简化了此开发过程,缩短了开发周期和降低开发成本。但由于开发过程涉及到多种技术,需要应用多种软件和硬件,不但对参与开发人员提出更高的要求,同时工作模式对开发进程的影响更大,因此探讨此类产品开发的工作模式是很必要的。

根据上述人体模型的开发这个典型案例以及多次类似产品的开发,作者认为大型复杂曲面类产品开发的工作过程有如下特点:(1)对任务的分析、规划应更加细致、详尽,方案的确定对全过程影响更大。在此阶段要分析各种可得到的软、硬件工具,针对任务的特点选择合适的软件,并充分考虑系统间接口;(2)开发工作应当引入并行工程的思想,在开始就考虑到各开发阶段的诸多因素[4],包括质量、成本、进度、用户需求和跨领域的协调工作,其中尤根据推算其注意不同开发阶段的衔接与协调。(3)产品的数据模型在全过程居于核心地位,开发过程伴随较大规模的数据流动和数据转换,因此应当尽量依托Internet/Intranet来实现文件快速传输、数据共享、模型管理以及开发人员之间的工作协同。(4)由于文件种类繁多、涉及的数据量庞大,因此必须建立合理有效的文档管理和维护机制,有条件的可应用PDM来管理产品数据。

鉴于上述特点,作者认为复杂曲面类产品开发可以采用图6所示的工作模式。该工作模式的特征是以产品数据模型为核心,依托Internet/Intranet,合理、灵活地使用各类软件工具和接口标准,并行、协调地完成开发工作。本案例中人体模型依照该模式进行开发,前后共用3个月,即按委托方的要求完成了开发工作。

图6 复杂曲面类产品快速开发工作模式框图

3、结束语

通过对大型复杂曲面类产品开发的新技术的总结和工作模式的探索,本文论述了大型复杂曲面类产品快速开发的技术要点,总结了此类产品开发过程的4大特点,并给出了以络技术为支撑、并行思想为指导的工作模式。依照该模式聚焦重点关键材料可以快速、有效地进行大型、复杂曲面类产品开发。

参考文献:

[1] 刘阳,唐罗生等.快速逆向工程及其在产品开发中的应用.机械设计与制造.1999(1):26~28.

[2] Li J X, etal. Projection of arbitrary point to parametric besizer surface and its application in complex surface NC measuring analysis . The Chinese Joural of Machine Engineering(English edited).1997.10(10):3.

[3] Ke Yinglin, Li Fengwang. Stud on reverse design engineer of complex surfaces products. CIRP International Symposium - Advanced Design and Manufacture in the Global Manufacturing ngKong,1997:21~22.

[4] 宋玉银.机械产品集成化并行设计方法及应用研究[博士论文],清华大学,1997.10:2~3. (end)

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