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前言 

煤礦機(jī)械產(chǎn)品是煤礦的核心設(shè)備，其性能和質(zhì)量直接影響著煤礦的生產(chǎn)和安全。而煤礦特殊的工作環(huán)境又要求機(jī)械產(chǎn)品具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，因此各種防護(hù)裝置在煤礦機(jī)械產(chǎn)品中被大量應(yīng)用。 

在防護(hù)罩的設(shè)計(jì)和制造過程中常常面對的是實(shí)物樣件，而不是現(xiàn)成的CAD模型。這就需要通過一定的途徑把這些實(shí)物模型轉(zhuǎn)化為CAD模型，再利用它進(jìn)行模具開發(fā)。目前這種從實(shí)物樣件出發(fā)獲得產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型技術(shù)己經(jīng)成為CAD/CAM中一個(gè)相對獨(dú)立的范疇，稱為逆向工程(reverse engineering)。而基于逆向工程的產(chǎn)品快速模具設(shè)計(jì)也已經(jīng)成為企業(yè)縮短開發(fā)周期、降低成本的重要手段。

1 基于逆向工程的快速模具設(shè)計(jì)主要流程

使用逆向工程技術(shù)進(jìn)行快速產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)主要流程如圖1所示。

圖1 基于逆向工程的快速模具設(shè)計(jì)流程

從上述過程可以看出，基于逆向工程的快速模具設(shè)計(jì)中關(guān)鍵技術(shù)有以下3個(gè)方面：

(1)逆向工程中三坐標(biāo)技術(shù)測量

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)測量方法主要分為三大類：接觸式測量、非接觸式測量、逐層掃描測量。其中接觸式測量精度高，但是效率低，對于一些易變形件無法測量；非接觸式測量效率高，可以排除摩擦所產(chǎn)生的誤差，但是精度相對稍低;逐層掃描測量主要應(yīng)用在產(chǎn)品內(nèi)部掃描的場合，對于一般的產(chǎn)品非接觸式測量方法使用最為普遍。

(2)產(chǎn)品的曲面重建技術(shù)

根據(jù)曲面的數(shù)據(jù)采集信息來恢復(fù)原始曲面的幾何模型，稱為曲面重構(gòu)。在逆向工程中，主要有2種曲面構(gòu)造方法:以B樣條或NURBS曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方案；以三角Bezier曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方案�，F(xiàn)在成熟的逆向工程軟件進(jìn)行曲面重構(gòu)的步驟一般是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)三角化、曲線擬合和曲面構(gòu)建。

(3)注塑CAE分析

在注塑成型過程中，塑料在型腔中的流動(dòng)和成型，與材料的性能、制品的形狀尺寸、成型溫度、成型速度、成型壓力、成型時(shí)間、型腔表面情況和模具設(shè)計(jì)等一系列因素有關(guān)。因此，在新產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)的過程中，可以通過注塑成型分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的缺陷，從而保證模具設(shè)計(jì)的合理性，提高模具的一次試模成功率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

2 防護(hù)罩模具設(shè)計(jì)

現(xiàn)在以某工程設(shè)備的防護(hù)罩為例說明逆向工程在快速模具設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。

(1)防護(hù)罩?jǐn)?shù)字掃描

防護(hù)罩是帶有自由曲面的異形件，測量的關(guān)鍵在于自由曲面的測量。在實(shí)際的測量中使用了美國FARO公司的激光掃描儀對防護(hù)罩進(jìn)行測量。

在測量時(shí)為了得到準(zhǔn)確的產(chǎn)品邊界，多測量了防護(hù)罩下的墊塊，這樣可為后面的CAD模型重建提供了參考。

(2)防護(hù)罩的CAD模型重構(gòu)

防護(hù)罩CAD重建的關(guān)鍵在于曲面的重構(gòu)以及防護(hù)罩上孔、槽特征創(chuàng)建。在設(shè)計(jì)時(shí)首先對所獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行處理，去噪、剔除雜點(diǎn)、數(shù)據(jù)插補(bǔ)和數(shù)據(jù)平滑等處理，接著對數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，把屬于同一類型的數(shù)據(jù)點(diǎn)劃分到同一區(qū)域。對劃分的區(qū)域選取特征截面、建立特征線、建立特征線網(wǎng)格，再對網(wǎng)格線進(jìn)行光順，最后由曲線擬合曲面。

(3)防護(hù)罩注塑CAE分析

注塑成型CAE分析的內(nèi)容和結(jié)果為模具設(shè)計(jì)和制造提供可靠、優(yōu)化的參考數(shù)據(jù)，其中主要包括澆注系統(tǒng)的平衡、澆口的數(shù)量、位置和大小，模腔內(nèi)溫度和壓力的變化等。

利用MOLDFLOW軟件對防護(hù)罩注塑過程進(jìn)行分析，找出了最佳注塑位置以及壓力變化的規(guī)律。

(4)防護(hù)罩注塑模設(shè)計(jì)

在CAE分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的模具設(shè)計(jì)。在澆注位置的選擇上，選擇了防護(hù)罩的外沿而不是圖4(a)的最佳澆注位置(防護(hù)罩的中部)，這主要是方便澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和簡化模具結(jié)構(gòu)。在防護(hù)罩側(cè)孔的側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，采用了內(nèi)置式的斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)。在開模抽芯的時(shí)候，利用彈簧2的回復(fù)力推動(dòng)滑塊3進(jìn)行側(cè)抽芯。這種內(nèi)置式的側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)方便可靠，而且在模具的外部不會(huì)有任何痕跡。圖6為模具的主剖視圖。

模具側(cè)剖視圖

模具主視圖

結(jié)語

逆向工程技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)，不但縮短了模具的設(shè)計(jì)制造周期，而且大大地降低了模具的生產(chǎn)成本，保證了模具的加工質(zhì)量，提高了數(shù)控設(shè)備利用率，實(shí)現(xiàn)了模具的快速制造。