第一章绪论
1.1引言
1.2模具CAO
这类模具使用传统的加工方法无法保证其质量要求,而应用模具CAD技术却使其成为可能。产品对象及其模具的几何形状描述是模具设计和生产中的关键问题。建立物体的计算机几数学模型称为几何构形,几何构形系统是模具CAD系统的重要组成部分,‘言不仅为模具cAD系统奠定了计算机交互图形设计的基础,而且也为模具CAD专业分析及模具型面加工提供了几何数字依据。模具CAD几何构形的目的:首先是进行模具结构设计,最终绘出模具的工程图。其次是建立完整准确的工件表面模型,为工件型面加工提供数字依据。最后是建立三维几何数学模型,为工程有限元分析提供几何数据。模具CAD的原始数据由用户提供,可分为以下三大类:第一类是产品外形CAD图形与数据。这部分用户都有自己的产品CAD系统,用于对产品外形自由曲线、自由曲面构成的形状加以处理,将创建的产品外形数学模型以三维数据格式传送,通过接口在模具CAD/CAM系统中获得产品cAD数据和几何信息,随后进行模具的工艺分析、结构设计及数控编程等工作。当产品外形变更修改时,还能准确地予以传送。第二类是常规设计图纸与型值点。对于这部分用户提供的资料,必须通过模具cAD/CAM系统中的造型功能模块,以产品图纸与型值点为依据,建立产品的外形数学模型,造型过程中要控制原有的型值点数据,对曲面进行分块、拟合、光顺及边界约束等处理,以建好的产品外形数学模型作为模具设计与制造的依据。
第三类是实物模型(成形件产品或即将报废模具)。这是用户提供的一种辅助性的制造依据,针对所提供的实物模型,采用测量取点与扫描方式采集数据,送入CAD造型模块,建立其外形数学模型作为模具设计与制造依据,通常,从实物模型上采集的数据局部地可以直接利用,即通过数据处理直接用于型面的数控加工。现阶段,主模型作为模具的制造依据仍被世界模具行业普遍采用,通过数学模型与数控加工制造主模型,利用主模型局部增加工艺补充部分型面,通过测量机(或扫锚机)采集数据经处理后传送到数控机床加工模具型面,这是一个周期短、效率高的工作方法。基于模具在制造业生产中的作用和地位,适应于现代市场的实际需要,模具制造技术也需要不断更新与发展。
1.3研究课题来源
1.3.1课题总述
模具技术是制造业中发展最快的技术之一,其特点是数量很模具模块的切割加工采用智能化专门切割装置。(7)模具模块组焊采用专用可调电焊设备,改装现有成熟的焊接设备、开发与之配套的多功能、高精度的工装设备、使之达到高质量、快速组焊的要求。(8)为最大限度缩短制造周期,采用并行工程技术。模具设计第一步是确定模块化方案及总体成型工艺参数,然后并行进行各模块的设计与制造。在模具粗加工的同时通过仿真手段,检验模具设计的合理性,并进行必要的修改和优化,使精加工尽量一次到位,满足产品品质要求。根据曲面成型原理可知:通过若干不规则排列的球体表面所作的包络面必为一不规则的曲面,如图1.2所示。基于这一思想,通过若干高低位置不一、互相紧密排列的球体顶面的包络面来模拟所需的曲面,即模具型腔表面形状。
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第二章反求工程与曲面重构
在产品的开发设计与制造过程中,几何造型技术己得到广泛的应用,但是,设计和制造者面对的往往是具有复杂的任意形状自由曲面的实物样件,这些实物样件的几何模型并非由CAD模型描述。对于具有复杂曲面零件的模具设计,传统的设计方法一般是先通过手工的方式,用石膏或油泥翻制出样品零件的模型,然后再采用仿形的方法加工制造出模具,这种方法一般来说精度很低,而且没能考虑产品的成形工艺性,因此,必须通过一定的途径,将这些实物模型转化为CAD模型,从而获得零件几何形状的数学模型,使之能利用CAD、CAM、即M和PDM等先进技术进行处理和管理,与这种从实物样件获取产品数学模型技术相关的技术,就是计算机辅助几何设计(CAGD)中的反求工程技术,亦即曲面重构(faceReconstruction),更具体地说,曲面重构就是研究如何从曲面上的部分采样信息来恢复原始曲面的几何模型。因此,反求工程的一个主要任务就是由物理模型重建出几何表示模型,这其中包括数据采集、预处理、曲面拟合和建立cAD模型四个步骤。其核心问题就是如何从采样点集出发重建出曲线、曲面的模型。曲线与曲面重建因具有重要的应用背景,在逼近论和几何造型中也是一个重要研究课题。
2.1反求工程概述
2.1.1传统设计与反求设计
反求工程又称反向工程或逆向工程,如上所述,它与正向工程的主要区别在于CAD模型的产生过程,由实物模型或者通过通用造型软件造型得到的产品模型产生CAD设计模型的过程称为反向工程几何建模,是反向工程最基本最关键的功能,也是反向工程的研究重点。等人将反求工程的过程描述为如下几个阶段(对实物模型而言):数据采集、数据预处理、数据分割、曲面重构及cAD模型的建立,图2.3为反求工程体系结构图。其中最重要且最困难的问题是数据分割和曲面重建,即如何从散乱点提取出拓扑结构,如何得到未知的多个曲面的几何特性。多个曲面的拓扑模型和重建方法是密切相关的,曲面重建要求曲面间具有一定的连续性,算法依赖于拓扑结构,好的拓扑结构对重建算法有着决定性的影响。对于具有复杂自由曲面零件的模具设计,可采用反求工程技术,首先获得其实物表面几何点的数据,然后通过CAD系统对这些数据进行预处理,并充分考虑模具设计中的成形工艺性,再进行曲面重构以获得模具凸凹模或型芯、型腔的型面,最后通过以M系统进行数控程序编制,完成模具的加工。运用这种方法可大大提高模具的设计和制造效率及模具质量,从而产生良好的经济效益。图2.4为反求工程技术在复杂型面模具设计与制造中应用的整个过程￡“〕。
2.2数据获取与预处理
第一章中已叙及,模具CAD中用户提供的原始建模依据大体分为三类,由于一些通用软件(如Pro/E、UGll、30MAx、501idworks等)的建模及仿真功能日益强大化,使得许多用户都可能在计算机上完成产品建模,并获得型面的离散数据。尽管如此,第三类原始数据(即实物模型)仍然具有很重要的实际意义,生产中经常要进行产品实物的复制、油泥模型的重构等等,对这类原始制造依据,其实物模型数字化是CAD/CAM反求工程的关键技术之一。曲面反求的首要任务是提取产品对象表面数据点的三维坐标信息,只有获得三维坐标数据信息,才能进行自由曲面的重构,这是反求工程技术的基础和关键。产品实物数字化需要专门的数字化设备来完成,数字化设备主要有三种,一是三坐标测量机(cMM),二是数控机床(NC),三是专用数字化仪或者扫描仪(Scanner)。三维数据的采集方法一般包括接触式和非接触式两种。接触式测量包括点位触发式数据采集和连续式数据采集两种。点位触发式数据采集,如普通三坐标测量机测量,其采集速度较低,一般只适用于零件的表面形状检测,或需要数据较少的表面数字化的场合;连续式数据采集,如接触式扫描测量,其采集速度较快,因而可用于采集较大规模的数据。接触式测量方法精度较高,操作容易,抗干扰性好,成本低,但是由于测量时接触压力的存在,对于某些质地柔软的零件必然产生较大测量误差,且测头半径三维补偿问题仍然存在。对于非接触式测量,其测头不接触待测物体的表面,数据传递需要依靠传递介质如激光、声波、电磁场等,其中常见的是以激光为媒介的激光三角形法和层摄像法,
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第三章曲线曲面重构的优化控制方法………………(23)
3.1以D中的优化控制模型………………(23)
3.2插值三次样条曲线重构的优化控制………………(25)
3.3优化控制问题的计算方法………………(26)
3.4曲面重构中应变能模型和数据点参数化技术………(27)
第四章薄板冲压模具的型面重构与建模………………(30)
4.1模具型面的双线性插值曲面重构及其显函数表示·…………(30)
4.2冲压模具型面参数双三次样条曲面重构………………(32)
4.3构造冲压模具型面参数双三次样条曲面的程序实现…………(36)
第五章冲头高的求取及程序实现………………(39)
5.1冲头高计算模型………………(39)
5.2双线性插值拟合曲面的冲头高计算………………(41)
第五章冲头高求取及程序实现
5.1冲头高计算模型
前己述及,以双线性插值曲面近似复杂自由曲面的误差随着曲面面积的增大呈递增趋势,鉴于此,需要对拟合的复杂曲面在给定公差的控制下实施离散化,在离散化的曲面网格内应用双线性插值曲面来近似计算冲头的高,这样可以得到所需要的计算精度。许多曲面应用中都需要进行曲面离散化,曲面离散化是自由曲面处理中一个很复杂的操作,服务于不同的应用目的,曲面离散化处理也各不相同,如用于有限元分析的曲面离散化、用于曲面数控加工中走刀轨迹布置的曲面离散化等。由参数双三次样条曲面与冲头顶端球面计算冲头高时,其微分运算复杂,求解困难,以上我们已经得到了双线性插值拟合曲面计算冲头高的方法并编程实现,为了应用这个简单的计算方法,这里需要对拟合的模具型面(参数双三次样条曲面)进行离散化,使位于充分小的离散区域内用双线性插值曲面近似参数双三次样条曲面的误差不大于给定允许公差值
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结论
本文的工作完成了大型模具的型面重构和CAD建模,将应用于最小型面尺寸为SO0mmx300mm、最大型面尺寸为30O0mmx2000mm的模具冲压,离散型面最小分辨率为30mmx40mm,模具型腔表层毛坯厚度25-35mm。尽管曲面造型和曲面重构技术在理论上己相当成熟,但是这主要是针对自由曲面的计算机表示模型及其计算机图形显示等方面,而对于一些具体的实际应用(如涉及到曲面拼接及物性计算时)常常还存在许多难以克服的困难。在大型复杂模具冲压成形研究中,模具型面重构是必不可少的步骤,而且这些工作的最终目的是为确定冲头的调节高度,最后为冲压工艺进行计算机辅助制造(CAM)提供加工数据。
参考文献（略）