塑料模具设计中Pro/E与反求工程的应用

　　反求工程又称逆向工程，作为产品设计制造的一种新的手段，从20世纪90年代初。该技术开始引起工业界和学术界的高度重视。传统的产品设计通常是从概念设计到图样，再制造出产品。反求工程是从现有的产品零件进行实物测录的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型，反求工程的出现改变了产品传统的开发模式。由于新产品的开发大多数都是在原有产品基础上的改进，可以利用反求工程对原有产品进行改型设计，从而大大缩短产品开发周期，减少了开发费用。Pro/Engineer是美国参数技术公司(PTC)推出的新一代CAD/CAE/CAM软件，其强大的功能深受用户欢迎。在模具设计模块中。Pro/E提供了方便又实用的工具。这些功能可以让使用者在最短的时间内进行模具组装(Mold Assembly)、模型检验(Model Cheek)、分模面(Parting Surface)建立等过程，顺利完成拆模的工作。它的独到之处在于只要很好地完成了模型的参数化约束，那么随后的变更将十分方便，非常适用于像产品概念设计这种需要经常引发变动的过程，是理想的反求工程软件，在塑料模具设计中，很好的利用Pro/E和反求工程将会大大缩短模具开发的时间，取得满意的效果。

　　1 反求工程及Pro/E中的逆向工具

　　目前，大多数有关反求工程技术的研究和应用都集中在几何形状，即重建产品实物的CAD模型和最终产品的制造方面，称为实物反求工程。一个待测工件在反求工程中要经过数据采集、点云模型预处理、曲线/曲面重构等关键步骤，最后才形成CAD模型。

　　1.1 数据采集

　　数据采集技术是反求工程的关键技术之一，可以分为非接触式测量方法和接触式测量方法。非接触式测量方法是指用非接触的光电方法对曲面的三维形貌进行快速测量的方法，常用的有激光扫描测量，声学法和磁学法，工业计算机层析技术简称工业CT。

　　接触式测量方法是另一种流行采集方法，一般是利用联接在探头上的传感器来测算目标点的位置。这种方法简单易行，CMM(Coordinate Messuring Machine，三坐标测量机)最早出现在20世纪60年代初期，随着科学技术的发展，它在测量速度和精度上都有很大的提高。它是使用接触探头测量物体表面的位置点，探头通常联接着一个敏感的压力传感器装置，通过与物体表面的接触得到触发，能提供测量点的坐标值。

　　1.2 Pro/E中的逆向工具

　　Pro/E野火版的小平面特征和重新造型特征组成一个完整的逆向解决方案。从输入点集一创建包络一创建小平面一创建曲面，形成一个处理逆向的完整流程。小平面处理的流程如下：

　　1)点处理，输入点集，对点集进行必要的编辑和优化，主要是噪声消除及缺损数据修补等。

　　2)包络处理，对点处理阶段完成后生成的包络进行编辑。

　　3)小平面处理，对包络处理完成后生成的小平面进行编辑及优化，得到小平面特征。

　　下面以某盒体零件为例。简单介绍逆向处理的经过。图1为测量后输入的点云图，首先消除噪音点，图2表示进行缺陷点的纠正，图3为点处理后的模型，图4为小平面处理后的模型。

　　重新造型特征过程一般是由数据点拟合出样条线，然后利用样条线拟合出曲面，曲面之间还可以进一步缝合或者加厚以得到实体模型。建立曲线和曲面的常用拟合方法是逼近法和插补法。在实际应用中经常结合以上两种方法来构造曲面模型，即先用数据点求出逼近的曲线，然后以这些曲线为控制线构造出曲面，得到CAD模型。

　　常用的反向工程软件有PTC公司的ScanTools，ICEM Surf，Pro/DESIGER(CDRS)，ISDX(交互式曲面设计)等。

　　2 模具设计流程

　　目前，计算机辅助设计技术在设计制造模具方面得到了广泛应用，其中Pro/E是使用最为广泛的一种。PTC公司推出的Pro/E软件，是基于参数化设计的三维设计软件，是集合了零件设计、零件装配、模具开发、NC加工、钣金设计、自动测量等功能于一体的软件。

　　模具设计主要由软件系统的模块来实现，该模块提供了几乎所有模具设计所需要的功能，如设置产品收缩率、创建毛坯工件、模具分型面和模架。以及修改、重新定义和分析模具组件。

　　模具设计流程一般是先利用软件系统的零件模块建立产品的三维模型，然后利用软件系统的模具型腔模块来设计模具构件，如上下模型腔、浇注系统、抽芯机构和滑块机构等。最后设计模架，如固定模板、导柱、导套、顶出机构、复位机构和冷却及加热装置。

　　1、模具装配。模具工件在装配过程中可以用人工或自动的方法建立，本模具采用自动的方法建立。以缺省位置将参照零件装配到模型中，由于本例是一模一腔的刨建方法，对于一模多腔的创建方法，要在布局对话框中选取。拆模之前，先检验模型的厚度(ThicknessCheck)，即检测零件的厚度是否存在过大或过小的现象;然后检验拔模角(DraftCheck)，即检测是否有倒勾(Undercut)现象、拔模角的数值是否合理。检验的目的是确认零件成品的厚度及拔模角是否符合要求以便修改。

　　2、模具组件的设计是整个模具设计中的主体部分，利用自动或手动功能命令设计毛坯工件，设计分型面，分割模具体积块，抽取模具元件，浇注系统设计，铸模，开模，模架设计等。

　　(1)在Pro/E中建立分型面的目的是利用与工件完全相交的分型面来分开工件，拆出形成腔体的各个模具体积块。同时，系统自动切除工件毛坯中塑件所占体积部分，形成模具的型腔体。建立分型面是模具设计的重点，尤其是对于那些形状复杂的零件，更是如此。若分模面有靠破孔，只有填补起来才能拆模。

　　(2)分割并创建体积块。所谓建立体积块，就是将已经创建的工件以分型面为参照，分割为数个体积块，对于本模具来说，首先分割出上模和下模体积块，此阶段由于生成体积块都是实体的，所以看不见内部结构，在开模仿真过程即可看清楚。

　　(3)使用菜单管理器中的MoldingOpening项，进入开模菜单(也可以使用界面快捷键)。开模的过程相当于对模具的顶出、侧抽芯等动作进行模拟，以确认各种动作的合理性。

　　如上例所示，利用Pro/E对相应的点云数据进行逆向处理后，转换为CAD模型，作为零件输入到Pro/E模具设计模块中，经过模具装配、设计分型面、分割模具体积块、抽取模具元件、开模等过程，最终设计出相应的模具零件。图5、6分别为模具的分型面和开模模拟过程，利用模具顾问模块还可以对注塑过程进行CAE分析，仿真注塑时塑料在模具中的流动情形，如流动路径、温度分布、压力分布、最佳浇口位置等。设计完成后可以在Pro/E中利用CAM模块进行模具的数控模拟加工，实现CAD/CAE/CAM一体化操作。

　　一个完整的模具设计。应该还包括模架的设计，模架很多己经标准化且情况比较复杂，这里就不再详细介绍。

　　3 结论

　　目前，企业竞争日趋激烈。零件产品不断更新换代，相应的模具产品的更新改造的周期也不断缩短，成本逐渐降低，这就为反求工程的应用提供了广阔的前景。现代测试技术的发展，快速、精确地获取实物的几何信息已变成现实，将零件的几何信息数字化后通过与CAD/CAM软件(如Pro/E)的数据格式转换，实现无缝连接，然后在Pro/E中利用它的强大的造型功能和模型参数化的特点，进行产品的研发改造，这就为模具的快速制造提供了更为广阔的前景。提高了企业的市场竞争能力。