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柳芴2008年第12期總第35卷 產品開發(fā)與設計 63 基于PRO E軟件的逆向工程產品設計 尹青松 深圳創(chuàng)維集團研究院 廣東深圳518106 囊要 逆向工程產品設計是根據(jù)已經存在的產品實物模型 反向推出產品設計敦據(jù) 包括設計圖紙或數(shù)字模型 的過程 在逆向工程產品設計過程中 實抽的CAD模型重建是逆向工程的關鍵部分 而PTC公司的Pro E NGrNEER是在機械設 計領域被廣泛應用的三維自動化模型設計軟件 具有強大的數(shù)據(jù)建模功能 簡要介紹了逆向工程技術的概念 系統(tǒng)構成 及應用范圍 以一欺電話聽筒的逆向設計為實例 詳細介紹了在PRO E軟件中利用實物模型測量數(shù)據(jù)文件進行逆向設 計的方法和步康 關鍵訶 逆向工程 PRO E 產品設計 中圖分類號 TP391 文獻栝識碼 A 文章編號 1006 0316 2008 12 0063 03 The reverse engineering products designing based on PRO E YIN Qing song The R D Academy of Shenzhen SKYWORTH Group Shenzhen 518106 China Abstract The Reverse Engineering Products Designing is the process ofreversely working out the products designing statistics Include design drawings or digital models according to the real product models In the process ofreverse engineering producm designing the reconstruction ofCAD model for the real product is the key Pro ENGINEER is a 3D automatic models designing software from the company PTC which is powerful in building digital models and widely used in Mechanical Designing field In this paper it simply tells the concept system structure and application scope of Reverse Engineering but it tells the tips and steps ofhow to design products in detail according to the data files measured by Pro E with real product models Key words reverse engineering PRO E products designing 1逆向工程的應用范圍及結構體系 在工業(yè)領域 往往會碰到根據(jù)模型或實物來構 建其三維數(shù)字模型的需求 這就用到了逆向工程技 術 逆向工程 Reverse Engineering 也稱反求工程 是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量即數(shù) 字化采樣 然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方 法重建實物的CAD數(shù)字模型 從而實現(xiàn)產品設計與 制造的過程 逆向工程在工業(yè)制造領域的實際應用主要包括 以下幾個方面 1 對產品外形美學有特別要求的領域 由于 設計師習慣于依賴3D實物模型對產品設計進行評 估 因此產品幾何外形通常不是應用CAD軟件直接 設計的 而是首先制作全尺寸的木質或粘土模型 然后利用逆向工程技術重建產品數(shù)字化模型 2 當設計需經實驗才能定型的工件模型時 通常采用逆向工程的方法 3 損壞或磨損零件的還原 以便修復或重制 4 產品的檢測 例如檢測分析產品的變形 檢測焊接質量等 以及對加工產品與三維數(shù)字化模 型之間的誤差進行分析 在制造業(yè)中 逆向工程已 成為消化吸收新技術和二次開發(fā)的重要途徑之一 作為改進設計的一種重要手段 它有效地加快了新 產品響應市場的速度 同時 逆向工程也為快速原 型提供了很好的技術支持 成為制造業(yè)信息傳遞重 要而簡潔的途徑之一 逆向工程系統(tǒng)主要由三部分組成 產品實物幾 何外形的數(shù)字化 CAD模型重建 產品或模具制造 逆向工程中的關鍵技術是數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理和模 收稿日期 2008 07 30 作者簡介 尹青松 1982一 四川岳池人 工程師 主要研究方向為計算機輔助設計與制造 萬方數(shù)據(jù) 64 產品開發(fā)與設計 祝旃2008年第12期總第35卷 型的重建 1 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集是逆向工程的第一步 其方法的得當 直接影響到是否能準確 快速 完整地獲取實物的 二維 三維幾何數(shù)據(jù) 影響到重構的CAD實體模型 的質量 并最終影響產品的質量 2 數(shù)據(jù)處理 對于獲取的一系列點數(shù)據(jù)在進行CAD模型重 建前 必須進行格式轉換 噪聲濾除 平滑 對齊 歸并 測頭半徑補償和插值補點等處理 3 模型重建 將處理過的測量數(shù)據(jù)導入CAD系統(tǒng) 依據(jù)前面 創(chuàng)建的曲線 曲面構建出原型的CAD模型 2在PRO E軟件中的模型重建 2 1導入測量數(shù)據(jù)文件 在PRO E軟件 下文中的操作步驟適用于 PR0 E2001版本 中新建一個Part文件 在主界面 點擊菜單Insert Date from File 選擇電話聽筒的 數(shù)據(jù)文件導入PRO E中 如圖1所示 2 2根據(jù)數(shù)據(jù)文件建立輪廓曲線 因為電話聽筒從結構上應為上下殼組裝而成 而通常外觀模型做成一個整體 測繪出的數(shù)據(jù)文件 也為完整的電話聽筒外形 分析導入的數(shù)據(jù)文件 找出電話聽筒上下殼的分型面 利用PRO E中的拉 伸曲面功能Feature Create Surface New Exturde繪 制分型面 利用曲線繪制的Sketch Projected命令 繪制出電話聽筒的外形輪廓曲線 在此步先繪制上 殼部分輪廓曲線 如圖2所示 圖中曲面為分型面 暗黃色曲線為輪廓曲線 圖l導入聽筒數(shù)據(jù)文件 圖2外形輪廓曲線創(chuàng)建 2 3繪制基準點 在PRO E中常用的繪圖步驟為建立點一線一曲 面一實體 利用已經建立的輪廓曲線和導入的數(shù)據(jù) 曲線 繪制電話聽筒的外形曲線 首先在輪廓曲線 上繪制基準點 常用的方法為繪制多個基準平面將 導入的數(shù)據(jù)曲線分隔成若干段 以保證能截取主要 的外形曲線 為減少繪圖特征 一般繪制轉折拉伸 曲面來代替基準平面的作用 利用PRO E中的點繪 制命令CurveXSrf 曲線和曲面的交點 獲得轉 折拉伸曲面與輪廓曲線的交點 作為后續(xù)繪制外形 曲線的基準點 如圖3所示 2 4曲線重建 以繪制的拉伸平面作為繪圖基準面 以輪廓曲 線上的點為基準點 參考導入的數(shù)據(jù)曲線外形 利 用PRO E的曲線繪制命令Sketch繪制聽筒的外形曲 線 如圖4所示 圖3基準點創(chuàng)建 圖4基準曲線創(chuàng)建 在曲線繪制時需要注意的是并非要完成忠實于 導入的數(shù)據(jù)曲線 數(shù)據(jù)曲線只是提供參考作用 設 計者更多需要留意的是曲線的質量 以及曲線對后 續(xù)構建的曲面質量的影響 2 5曲面重建 利用已經繪制好的輪廓曲線和外形曲線 應用 PRO E中最常用的Boundaries邊界曲面繪制功能 Feature Create Surface New Advanced Boundaries Bl ended surf繪制聽筒的外形曲面 在利用Boundaries 曲面繪制上部的曲面時 需要對上部中心的輪廓線 邊界定義 Bndry conds 為法向 Normal 于繪圖 平面 Sketching plane 以保證曲面鏡像 Mirror 后的順滑 繪制得如圖5所示曲面 按2 2 2 3和2 4所介紹的方法繪制聽筒下半 部分輪廓曲線 基準點和基準曲線 然后應用PRO E 中的 Boundaries邊界曲面繪制功能 Feature Create Surface New Advanced Boundaries Bl ended surf繪制聽筒的下半部分外形曲面 聽筒靠耳 部位運用旋轉曲面功能Create Surface New Revolve 繪制完成 合并所繪制的曲面Create Surface Merge 在已完成的曲面上倒圓角修飾Feature Create Solid 萬方數(shù)據(jù) 猊拼2008年第12期總第35卷 產品開發(fā)與設計 65 Round 完成如圖6所示曲面 圖5局部曲面創(chuàng)建 圖6曲面創(chuàng)建 在PRO E中對于形狀對稱的零件的繪制 通常 先完成零件一半特征的繪制 然后再利用鏡像 Mirror 命令將繪制好的圖形特征對稱復制 得到 完整的零件 將繪制完成的曲面以基準面DTMl為 鏡像基準面做鏡像拷貝Feature Create Surface Tran sform Mirror Copy 再將鏡像前的曲面和鏡像后的 曲面做合并處理Create Surface Merge 這樣就得到 個完整的電話聽筒外形封閉曲面 如圖7所示 2 6實體重建 將2 5中所完成的封閉曲面生成實體 Feature Create Solid Protrusion Use Quilt 選擇封閉 曲面 生成如圖8所示電話聽筒外形實體圖 以分型曲面為基準將實體分為上 下2個零件 Feature Create Solid Cut Extrude 分別另存文件名 然后再對分解開的2個實體零件做薄殼處理 Feature Create Solid Shell 得到如圖9和圖10所示 的聽筒上下殼體零件 其內部結構不再做介紹 圖7整體曲面創(chuàng)建 圖8實體創(chuàng)建 3結束語 逆向工程是一項具備開拓性 實用性和綜合性 的技術 利用PRO E軟件的逆向工程技術進行產品 設計 可以提高產品設計的準確性 縮短產品開發(fā) 周期 隨著各個行業(yè)對產品的快速創(chuàng)新設計要求的 提高 逆向工程技術必將得到更廣泛的應用 圖9聽筒上殼 圖lO聽筒下殼 參考文獻 l 王宵 等 逆向工程技術及其應用 M 北京 化學工業(yè)出版社 2004 2 林清安 PRO ENGINEER零件設計 高級篇 tM 北京 北京大 學出版社 2000 上接第45頁 2結語 合理 可靠的模具是產品質優(yōu)的保證 本文將 先進的Moldflow軟件及ANSYS軟件和實際需要相 結合 用于解決生產中遇到的問題 在計算機上對 整個注射成型過程進行全過程的模擬分析 以便設 計者能盡早發(fā)現(xiàn)問題 及時修改模具設計 而不是 等到試模以后再返修模具 這不僅是對傳統(tǒng)模具設 計方法的一次突破 而且對減少甚至避免模具返修 提高制品質量 降低成本都有著重大的經濟意義 圖8厚度為45 mm的B板變形 圖9厚度為55衄的口板變形 參考文獻 1 肖樣芷 王義林 模具CAD CAE CaM M 北京 電子工業(yè)出 版社 2004 2 范云霄 武迎迎 趙國強 等 基于MPI的塑件澆tl優(yōu)化設計 J 模 具工業(yè) 2006 12 53 56 3 張小甫 閻峰云 王翠香 等 Mold Flow和Plastic Advisor在注塑 成型中的應用 J 模具技術 2004 2 14 17 4 till Moldflow模具分析應用實例 M 北京 清華大學出版社 2005 5 劉來英 注塑成型工藝 M l兒IJ 機械工業(yè)出版社 2005 6 單巖 Moldflow模具分析技術基礎 M 北京 清華大學出版社 2004 萬方數(shù)據(jù) 基于PRO E軟件的逆向工程產品設計 作者 尹青松 YIN Qing song 作者單位 深圳創(chuàng)維集團研究院 廣東 深圳 518106 刊名 機械 英文刊名 MACHINERY 年 卷 期 2008 35 12 被引用次數(shù) 0次 參考文獻 2條 1 王宵 逆向工程技術及其應用 2004 2 林清安 PRO ENGINEER零件設計 高級篇 2000 相似文獻 10條 1 期刊論文 趙福臣 鄭袖 張水車 基于CMM及Pro E的集成逆向工程系統(tǒng)技術應用研究 機械工程師2006 4 介紹了集成逆向工程 RE 制造技術的相關概念 系統(tǒng)組成及其在CAD CAM領域中的應用 以鼠標逆向反求為例 采用三坐標測量機 Coordinate measuring machine CMM 對實物原形進行三維數(shù)據(jù)采集 運用Pro E軟件的逆向功能及造型功能進行CAD建模 并利用其CAM功能進行零件制造 實踐表明 該 技術在縮短產品制造周期 提高產品質量和改進產品設計中有重要意義 2 學位論文 馬軍 基于PRO E的逆向工程關鍵技術研究 2008 隨著市場競爭的日益激烈 如何減少產品的研發(fā)時間 減少研究經費已成為現(xiàn)代企業(yè)研究的一個熱點 在工業(yè)領域中 逆向工程受到越來越多的重 視 并且得到了廣泛應用 逆向工程是一個從已有實物模型中獲得該產品CAD模型的過程 適合于幾何形狀復雜 具有多個自由曲面的產品造型設計 逆 向工程包括以下主要環(huán)節(jié) 數(shù)字化測量 數(shù)據(jù)預處理 模型重構 其中數(shù)字模型重構是逆向工程中最重要的研究課題之一 目前NURBS理論發(fā)展較為成熟 并且已成為CAD CAM系統(tǒng)的通用標準 本文以實物的數(shù)字化模型重構為主要研究內容 研究和闡述了基于光學和接觸式測量數(shù)據(jù)的數(shù)字化建模理論和方法 闡述了逆向工程數(shù)據(jù)處理的方 法及其原理 主要內容有 多視點云的對齊 點云的濾波和精簡 點云數(shù)據(jù)的分塊以及點云數(shù)據(jù)的修補 研究了曲線曲亟的基本理論 對曲面重構的基 本理論和方法進行了論述 在NURBS理論的基礎上分析了型值點和控制點對曲線藍面的不同作用 介紹了曲線曲面的數(shù)學模型 對現(xiàn)有的曲線曲面插值和 擬合算法進行了研究 分析 歸納和總結 重點研究了NURBS曲線曲面的性質和特點 闡述了控制頂點和權因子在形狀控制中的重要作用 介紹了軟件 PRO E的主要功能及其主要模塊 并以PRO ENGINEER WILDFIRE 2 0為平臺 對基于PRO E的逆向工程技術進行了深入的研究 提出了利用Geomagic studio和PRO E協(xié)同進行曲面重構的方法 這是進行曲面重構的一條捷徑 對用Geomagic studio處理后的實物數(shù)據(jù)點云進行曲面重構研究 并對重新構 造患的曲面的質量進行分析和評價 3 期刊論文 曹萃文 陳建政 張寅靜 基于Pro E的逆向設計數(shù)據(jù)處理 組合機床與自動化加工技術2004 3 文章闡述了逆向工程設計技術的應用背景 組成和原理 并論述了在產品開發(fā)中應用逆向工程技術的各關鍵環(huán)節(jié)對的原理和方法 提出了基于Pro E技 術的逆向工程實現(xiàn)過程 從而為復雜產品的數(shù)字化逆向工程設計提供了一種切實可行的方法 4 期刊論文 沈洪雷 Pro E軟件在眼鏡注塑模中的應用 工程塑料應用2003 31 9 以眼鏡塑料件為例 介紹了該制件的逆向工程 三維造型 模具成型零件設計及其數(shù)控加工等過程 并對各過程進行了簡要的分析 實現(xiàn)了Pro E軟件 在復雜型面模具設計與制造中的應用 5 期刊論文 張華 PRO E基于STL數(shù)據(jù)的逆向工程的應用 遼寧經濟管理干部學院 遼寧經濟職業(yè)技術學院學報 2009 45 5 隨著市場競爭的日趨激烈 逆向工程技術為快速制造提供了很好的技術支持 已經成為消化吸收和二次開發(fā)的重要 快捷的途徑之一 PRO E在逆向設 計時針對如何構線和構面 如何對產品特征進行規(guī)劃以及分割產品等提供了很便利實用的方法 是逆向設計中一個不可缺少的工具 大大縮短了產品開發(fā) 的周期 提高了產品的市場競爭力 6 期刊論文 李勇 張玉新 上官林建 孔垂雨 LI Yong ZHANG Yu xin SHANGGUAN Lin jian KONG Chui yu 基于RE與 Pro E的米老鼠玩具頭像模具設計 模具工業(yè)2010 36 7 利用逆向工程技術和Pro E相結合 以米老鼠玩具頭像為原型進行逆向工程的實際應用研究 即應用Pro E的小平面特征進行數(shù)據(jù)處理 模型重構 模 具設計 并對曲面重構這一關鍵技術進行詳細分析 以縮短產品的研發(fā)周期 7 期刊論文 劉曉宇 劉德平 王瑩瑩 余水晶 劉玲玲 LIU xia yu LIU De ping WANG Ying ying YU Shui jing LIU Ling ling 基于Pro E的模型重構技術 煤礦機械2008 29 10 逆向工程是先進制造技術的主力 是消化和吸收先進技術的一種手段 介紹了逆向工程的內容以及基于Pro E軟件系統(tǒng)中的Pro Scantools模塊來實現(xiàn) 零件逆向設計制造的方法和關鍵步驟 數(shù)據(jù)處理 3D模型重構 通過實例證明這種方法的可行性和便易性 8 期刊論文 王春香 Wang Chunxiang 基于逆向工程的注射模CAD CAE的應用研究 模具制造2009 9 8 簡述了采用逆向工程技術理論對電吹風外殼的研究和分析 并主要介紹利用Pro E軟件進行注射模設計的全過程 用MoldFlow進行流動模擬分析 提高 了設計效率 節(jié)約了成本 對同類產品的設計具有一定的參考價值 9 學位論文 陳飛 基于EOS544三坐標測量機測量軟件WinMeil Plus與Pro E的曲面逆向工程研究 2006 逆向工程技術是20世紀80年代后期出現(xiàn)在先進制造領域里的一種新技術 它通過采集實物的三維坐標 利用相關的CAD CAM軟件 重構實物模型 這 種從實物樣件獲取產品數(shù)學模型的技術在己發(fā)展為CAD CAM系統(tǒng)中的一個相對獨立的范疇 本課題主要研究了坐標點 點云 采集 數(shù)據(jù)轉換和幾何型面構造三部分的內容 在對點云采集方法的研究中 利用三坐標測量機測量軟件提供的二 次開發(fā)工具 針對不同的情況開發(fā)獨立點掃描 曲線掃描和曲面掃描三個程序塊 為了讓CAD CAM軟件能夠讀取測量數(shù)據(jù) 在對數(shù)據(jù)轉換的研究中 利用 VisualBasic6 0開發(fā)了格式轉換器 完成從測量機文件格式到IGES文件格式的轉換 在重建幾何模型的研究中 利用Pro E的Pro SCANTOOLS工具 將導 入的點云重構成曲面 并且進行適當?shù)钠交幚?最后 應用研究成果作了部分應用性研究 本課題的研究成果可用于簡單或較復雜型面的逆向重構 但是 受到測量儀器本身的限制 在點云采集速度和點坐標的采集精度等方面有待繼續(xù)研 究和改進 10 期刊論文 王春香 李雙青 Wang Chunxiang Li Shuangqing 基于Imageware和Pro E的齒輪逆向工程模型重建技 術研究 機械傳動2010 34 8 為了拓寬齒輪的反求建模途徑 探索了從曲面重構的角度建立齒輪幾何模型的方法 以具有較高運動精度和接觸精度要求 用于某重型卡車中橋中行 星機構的行星輪為對象 結合Imageware和Pro E兩個軟件的優(yōu)勢 進行反求建模研究 先在Imageware中依據(jù)測得的點云數(shù)據(jù)重構出一個輪齒的曲面和一些 特征曲線 然后在Pro E中構建齒輪的整張曲面 最終去除材料得到了基于點云數(shù)據(jù)的直齒輪實體模型 研究結果表明 通過曲面重構來建立齒輪CAD模型是 行之有效的方法 本文鏈接 授權使用 黑龍江工程學院 hljgcxy 授權號 65391d70 3b45 48b5 9a49 9e9c00cb7d0d 下載時間 2011年3月4日 第28卷第12期 實驗室研究與探索 V01 28 No 12 2009年12月 RESEARCH AND EXPLORATl0N IN LABORATORY Dec 2009 基于破損零件逆向設計的快速成型及質量分析 許耀東 曹志鴻 上海工程技術大學 上海200437 摘 要 對漏油嘴零件的實際測量和在UG中的建模 實現(xiàn)破損漏油嘴原型復原的逆向設計 通過UG 導出的STL模型 及Catalyst軟件的分層處理 實現(xiàn)零件的快速成型制作 為證實原型件可以與原零件 互換使用的可能性 分別從尺寸精度 強度和表面質量進行了分析 通過ABS絲材收縮率補償后快速 成型 及STL面片模型的分析 得到原型件存在的收縮誤差和原理性誤差 應用堆積機理說明原型件 強度取決于絲材的粘接強度 而小于絲材本身強度的特點 分析了絲材粘結層最小厚度及路徑寬度的 限制對成型表面質量的影響 通過最終分析得出原型件在強度或表面質量要求不高的情況下 如漏油 嘴 可以與原零件互換使用 要求較高 則只能作為原型展示 關鍵詞 逆向設計 ABS塑料 STL模型 快速成型 堆積機理 原型質量 中圖分類號 TB 476 文獻標識碼 A 文章編號 1006 7167 2009 12 0043 04 Fast Prototype and Quality Analysis Based on Reverse Design of Broken Parts XU Yao dD增 CAO Zhi k昭 Shanghai University of Engineering Science Shanghai 200437 China Abstract Reverse design of a broken oil filler part was implemented through measuring and UG modeling Exporting STL file from UG and layered process with Catalyst software can create a fast prototype part Dimensional precision strength and surface roughness were analyzed to prove the feasibility of prototype part in place of original part With肌 analysis of compensation of ABS shrinkage rate to FP and STL facet model the shrinkage errors and principle errors were got Fused deposited mechanism was used to prove the prototype part strength in linkage with fused material adhering strength below the material strength Surface quality was analyzed to be restricted by the fused material adhering layer S minimum thickness and minimum fused path width Finally a conclusion was got that the prototype part can be used in一 stead of the original part on the condition of low demand of strength and surface roughness like the filler oil part and only be used to display as a model on the contrary Key words reverse design acrylonitrile butadine styrene copolymer ABS STL model fast prototype deposit mechanism prototype quality 1 引 言 逆向工程是采用對實物或模型進行數(shù)字化采樣測 量 然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重建實 物的CAD數(shù)字模型 從而實現(xiàn)產品設計與制造的過 收稿日期 2009 03 18 作者簡介 許耀東 1978一 男 山東高密人 硬士 助教 現(xiàn)主要從 事現(xiàn)代制造與檢測技術研究 Tel 021 65421020 E marl sodarbiseuit 163 com 程 逆向工程可以實現(xiàn)產品的改形或仿形設計 也可 以對損壞或磨損的零件進行還原 再現(xiàn)原產品設 計 快速成型技術是在21世紀80年代末期發(fā)展起來 的直接根據(jù)CAD模型生產樣件或零件的技術的總稱 它被稱為現(xiàn)代制造技術的又一次革命 它集成了 CAD技術 數(shù)控技術 光學技術和材料技術等多種現(xiàn) 代科技成果 快速成型制造的基本原理是根據(jù)三維 CAD模型對其進行分層切片 從而得到各層截面的輪 萬方數(shù)據(jù) 實驗 室研究 與 探索 第28卷 廓 用計算機控制激光束固化一層層的液態(tài)光敏樹脂 或利用某種熱源有選擇地噴射出一層層熱熔材料 形 成各截面不同并逐步疊加而成的三維產品K o 逆向工程與快速成型技術相結合 可組成一個產 品設計 原型或小批量制造 檢測及設計修改的閉環(huán)系 統(tǒng) 經過反復迭代 能高效率的完成產品的優(yōu)化設計 突破了制造監(jiān)的傳統(tǒng)模式 為快速設計和快速制造提 供了關鍵技術支持舊 本文結合現(xiàn)階段的快速成型 技術的發(fā)展 對原型件能否打破傳統(tǒng)的只作為模型展 示 到能夠替代原始零件使用 及原型件的質量評價通 過實驗進行了研究 2零件的逆向工程設計 根據(jù)逆向工程思維 可以對破損零件進行逆向設 計 利用一些非專業(yè)的逆向設計軟件 如 UG Pro E CATIA等 和一些專業(yè)的逆向設計軟件 如 Surfacer CopyCAD Trace等 進行產品的逆向造型H 本文首 先對破損的漏油嘴進行測量 然后通過UG建模進行 實物造型的還原設計 2 1零件的測量 實驗中采用的是油煙機的一個漏油嘴 零件如圖 1所示 圖中顯示零件有破損和裂縫 對漏油嘴零件 進行測量 并將破損處進行還原 測量得到剖面尺寸如 圖2所示 圖l漏油嘴實物幽 口10 5 圖2漏油嘴剖面尺寸圖 2 2 UG建模 根據(jù)漏油嘴零件的實測尺寸 在UG中進行實體 建模 將視圖中的WC 坐標 移到建模零件的尺寸邊 界 使零件中不會出現(xiàn)負坐標 如圖3所示 圖3漏油嘴的UG建模 將UG的文件導出為STL文件 如圖4所示 將 STL文件導入到快速成型的處理軟件Catalyst中 如圖 5所示 會顯示出一個三維面片模型 如圖6所示 面 片模型是對三維CAD模型進行切片后得到的數(shù)據(jù)格 式 在每層上用折線代替CAD模型中的曲線 執(zhí)行 Process STL命令可以生成快速成型分層的 之 字形 臺階軌跡 軌跡圖顯示了程序控制的噴頭噴涂過程中 運行的軌跡 如圖7所示 萬方數(shù)據(jù) 第12期 許耀東 等 基于破損零件逆向設計的快速成型及質量分析 45 3零件的快速堆積成型 3 1快速成型機及材料 快速成型機使用的是美國Dimension公司出品 的 型號為SSTl200 可水溶去除支撐的快速成型機 正常工作時 成型機噴頭加熱溫度在270 300 oC 成 形室環(huán)境溫度t 70 噴嘴直徑為d 0 254 mm 材料用的是ABS P400 由Stratasys公司開發(fā)的一 種材料 1 這種材料軟化熔融區(qū)間在105 290 線 性收縮率在0 3 一0 5 熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性能 好 強度高 根據(jù)不同的應用場合 部分原型可以作為 功能零件使用 ABS P400絲材通常由90 一99 的 ABS樹脂 0 2 的礦物油和0 2 的石蠟3種組分 均勻混合而成 一般情況下 ABS P400絲材在常溫 下的彈性模量E 2 23 GPa 剪切模量G 833 MPa 泊松比l 0 34 當溫度從50 變化到270 時 材 料的導熱系數(shù) c 0 155 0 195 W m 比熱容 為1 4 2 4 kJ kg 3 2快速堆積成型機理 原型堆積時 絲材間粘結是靠剛擠出的高溫絲材 所攜帶的熱能和表面勢能驅動的 在快速堆積成型 FDM 工藝中 絲材從噴嘴擠出 沿著規(guī)劃的路徑進 行堆積時 由于其高溫會使鄰近絲材的溫度迅速提升 到玻璃化溫度以上 接觸界面首先發(fā)生軟化浸潤 隨 著接觸界面的消失 絲材間的分子發(fā)生相互擴散 通常 不定型熱塑性聚合物分子發(fā)生跨界面的有效熱擴散溫 度高于該聚合物的玻璃化溫度 經過一定時間的有效 擴散后 將達到界面間分子的完全浸潤 實現(xiàn)并最終建 立起絲材之間的熱驅動粘結 粘結界面溫度越高 有 效擴散時間越長 分子運動越劇烈 界面的粘結強度就 越高 但由于這種粘結是建立在界面分子的不充分擴 散 不是有機大分子的擴散 而是分子片段間的擴散 連接 基礎上 所以絲材間的粘結強度比絲材的強度 要低 為了獲得較高的粘結強度 就需要最大限度的 延長擴散粘結的時間 同時考慮到原型有好的形狀質 量和表面質量 防止絲材在堆積時發(fā)生尺寸變形 就需 要堆積的絲材能夠迅速固化哺1 所以成形機需選擇 合適的擠出溫度和環(huán)境溫度 來綜合權衡考慮絲材的 粘結強度和表面質量 4成型零件的質量分析 4 1快速成型材料熱特性對成型精度的影響 由于是用ABS P400塑料進行的制作 從噴頭絲 材的熔融堆積 到絲材的冷卻固化 最后從快速成型機 取出 存在環(huán)境的溫差 已知ABS P400材料的收縮 率為0 3 0 5 9 這樣它會造成尺寸誤差 如表 1所示 對于零件橫截面尺寸10 5 mm和高度尺寸lO mm 分別產生0 14 mill和0 04 mm的誤差 橫截面相 對誤差約為1 3 高度相對誤差為0 4 為了消除 這部分誤差 將原實物UG模型放大1 005倍 再進行 STL轉換并快速成型 發(fā)現(xiàn)原型的尺寸仍然存在誤差 如表1所示 對于10 5 mm和10 mm的尺寸 產生0 1 mm和0 02 mm的誤差 說明除了材料收縮率外還有 其他的因素影響原型的尺寸精度 表l 收縮率調整前后原型尺寸測量結果 mm 4 2快速成型原理性誤差 由于快速成型制作原型時 需要進行文件由三維 CAD模型向STL格式的轉換 而STL文件信息描述方 式和分層制造產生的臺階效應是快速成形技術的原理 性誤差 如圖8所示為一球狀物體的STL模型 STL 模型是物體原始CAD模型的近似表達 01 三角面片 的數(shù)量越多 STL模型就越逼近原始CAD模型 圖8球體的STL模型 三角化就是用許多無序的小三角面片來近似 CAD模型的表面輪廓 如圖8所示 這種近似表達降 低了原型制造的表面精度 由于RP Rapid Prototype 分層制造的原理 原型是由一系列沿制作方向的層片 堆積而成 因此產生的臺階效應造成堆積原型的表面 與CAD模型的表面輪廓不一致 最終的原型輪廓只是 原始CAD模型的臺階狀近似 如圖9所示 卜 1 八 刃 h I I 卜 一 卜 卜 l r 一 一一1 圖9球體分層的臺階效應 4 3堆積機理對成型強度及表面質量的影響 ABS P400的成形材料是通過對熔融絲材 肩并 肩 并行堆積疊加而成的原型 原型靠絲層問的粘結 力粘結產生的 所以零件的強度取決于粘結力的大小 而不是材料的強度 零件在沿堆積絲材軸線方向的強 度約為31 MPa 而在垂直于絲材軸線方向的橫向薄弱 萬方數(shù)據(jù) 實 驗室研究 與 探 索 第28卷 部位 絲材間的粘結強度僅為5 MPa 采用ABS熔融絲 材層間疊加堆積而成的原型強度只有使用同種材料注 塑而成的原型強度的60 一80 ott 削弱原型強度 的微觀原因主要是原型內的空隙和絲材間薄弱的粘結 部分 原型內部的空隙減小了力作用方向的承載面積 并伴有應力集中和剪切裂紋等不利因素 而靠熔融熱 擴散粘結在一起的絲材 絲材間的粘結強度包括其抗 剪切強度和抗拉伸強度都小于堆積絲材本身的強度 因此 若要提高熔融堆積原型的機械力學性能就必須 降低原型的空隙率和提高層與層之間以及各層內絲材 間的粘結質量 所以快速堆積成型零件一般具有較低 的強度 并且由于快速成型的材料價格較高 成型精度 不夠 通常只用于外觀造型 而不進行互換使用 由于本例漏油嘴要求的強度不高 而且并非大批量生 產 所以可以通過快速原型件替代原始零件使用 其次對快速原型的表面質量進行分析 由于堆積 層的層間厚度為0 254 mm 堆積時的路徑寬度是 0 508 mm 013 J 如圖10所示 這不可避免的會產生一 些微小的堆積間隙 所以影響了成型零件的表面粗糙 度 目前還沒有針對RP工藝特點統(tǒng)一的描述方法 只有借鑒傳統(tǒng)用于對機加工零件進行表面精度評價的 指標 使用表面粗糙度來衡量FDM原型件的表面微 觀精度 仍采用其常用的評定方法 輪廓算術平均 偏差置 對熔融堆積原型件進行表面精度分析 通過 對漏油嘴原型的觀察 一般成型零件的表面能看到堆 積紋路 如圖1l所示 成型零件的粗糙度R 接近6 3 itm 對應光潔度V4 比對粗糙度樣板如圖12所示 5結 論 圖12粗糙度樣板比對 1 快速堆積成型的零件受ABS材料收縮率以 及快速成型原理性誤差等因素的影響 導致快速原型 件的尺寸存在一定的誤差 試驗得出原型橫截面的相 對誤差約為1 3 高度相對誤差較小 2 快速堆積的粘結機理影響了零件的強度 使 快速原型件強度取決于絲材的粘接強度 而小于絲材 本身的強度 同時絲材粘結層最小厚度及路徑寬度的 限制也導致了零件粗糙度的等級不是很高 通常R 一 6 3斗m 3 通過對零件逆向設計和快速成型可以做到零 件的外型展示 若零件強度要求不高 如漏油嘴 可以 將快速原型件與原零件互換使用 若強度要求嚴格則 不能與原零件互換使用 參考文獻I Referellces 1 王曉飛 吳蓓蓓 基于逆向工程的產品外觀設計 C f2007國際 工業(yè)設計研討會暨第12屆全國工業(yè)設計學術年會論文正綰 2007 12 270 272 2 王明輝 宋家旺 趙毅 反求工程與連桿的快速成形 中國 機械工程 2006 10 230 233 3 L Schemenauer N Peng X A I vellle engineering system for rapid manufacturing of complex objects J Robotics and Computer Interg rated Manufacturing 2002 18 53 67 4 周耀新 王宏濤 劉巧云 逆向工程技術概論 J 機械設計 2005 22 3 4 5 李澤峰 UG逆向技術的方法應用 c 中國汽車工程學會制造 年會 2005 43 45 6 Grimm T User s guide to rapid prototyping M Dearbom Mich Society of Manufacturing Engineering 2004 7 Perez C J Analysis of the surface roughness and dimensional aecura cy capability of fused deposition modeling process J International Joumal of Production Research 2002 40 12 2865 288I 8 王天明 基于顆粒體熔融堆積的高速擠出裝置及快速成型工藝 理論研究 D 上海 上海交通大學 2006 9 Eden P FDM investment significantly cuts costs J Medical Design Technology 2000 4 8 14 10 Ashwin H Amit B Modeling ofmultiple pore ceramicmaterialsfabri emed via fused deposition process J Scripts Materiaiia 2000 42 6 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