淺談汽車后視鏡逆向造型及模流
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摘要：汽車后視鏡的三維模型由三步制作出來。首先用非接觸式的三維激光掃描儀獲得汽車后視鏡的點云，然后用IMAGEWARE對點云進行去噪處理，由點構建線，得到線的網(wǎng)格模型，最后將網(wǎng)格模型倒入三維軟件中進行對曲面重構，并對產品模型進行再設計。獲得汽車后視鏡的三維模型后，進一步運用MOLDFLOW模擬注塑工藝過程，建立了一模兩腔的流道系統(tǒng)，比較側面澆口流道系統(tǒng)和頂桿潛伏式澆口流道系統(tǒng)的充填參數(shù)，結合CAE分析結果，得到側面澆口流道系統(tǒng)具有更好的充填工藝參數(shù)。
關鍵詞：逆向工程；點云處理；曲面重構；模流分析
引言
逆向工程技術起源于精密測量和質量檢驗，是通過設計下游向上游反饋數(shù)據(jù)信息的回路[1-2]。逆向工程技術具有廣泛的應用背景，盡管各種軟件有強大快速的計算機輔助設計技術（CAD）功能，但是仍然無法滿足復雜曲面零件的需求，有時要用黏土或泡沫模型代替CAD設計，逆向工程需要將這些物理模型轉換為CAD模型[1,3]。逆向工程系統(tǒng)主要由產品物理集合形狀數(shù)字化、CAD模型重建、產品或模具制造3部分組成[4-5]。目前，大多數(shù)逆向工程研究的重點放在一種逆向重塑上，被稱為“實物逆向工程”[2,6]，其可定義為將實物轉變?yōu)镃AD模型以及相關的數(shù)字化信息技術、幾何結構模型重建技術和產品生產制造技術的總稱，是將已有研究產品或實物模型轉化為一個工程項目設計理論模型，在此基礎上對已有產品進行解剖、深化和再創(chuàng)造的過程，具體流程如圖1所示[6-7]。通過逆向工程，在消化和吸收先進技術的基礎上，建立和發(fā)展自己的產品開發(fā)技術，進一步創(chuàng)新產品設計[1]。逆向工程可以通過重構產品零件的CAD模型，對原型信息進行修改和再設計，這不僅為產品的再設計及創(chuàng)新教學設計提供了數(shù)字原型，也為各種先進的計算機輔助設計技術研究提供了平臺。注塑制品往往由于塑料在模具型腔中的不當流動產生許多缺陷，如氣穴、焊接線甚至制品的變形。而MPI/Flow通過對塑料熔融體在模具型腔中的流動進行分析模擬，對填充方式進行預測與分析，預測填充過程中的壓力、溫度變化，以及在此過程中形成的焊接線和氣泡[8]。這有助于工程人員在測試模具之前了解和識別澆注過程中可能出現(xiàn)的缺陷，以便在制造前改進模具，并減少返工廢料。
1汽車后視鏡模型重構
1.1點云采集
本次逆向設計采用的是LASER-RE600Ⅱ三維激光掃描機，測量原理為：將被測物體置于三坐標測量空間，可獲得被測物體上各測點的坐標位置，根據(jù)這些點的空間坐標值，經計算求出被測物體的幾何尺寸、形狀和位置。為了減少點云噪點，提高點云質量，采集點云前，要對汽車后視鏡進行表面處理，在表面噴涂均勻的反差顯影劑，如圖2所示。為了保證工件掃描的準確性，必須對系統(tǒng)中心誤差進行補償，圖3所示為對轉臺中心坐標的測定。
1.2點云處理
該次掃描比較成功，得到的點云較為平滑，如圖4所示。由于固定件的原因限制了工件的擺放，導致有2個面缺失掃描，基本符合以后的建模要求，需要在點云處理時補上，這將增加創(chuàng)建時的難度。本次掃描是進行了3次旋轉掃描，一共掃描了4次，每次掃描都會互相有很多重復和交叉的點云或者分層現(xiàn)象，這對后面的曲線或者曲面構造的影響非常大，所以一定要處理掉這些多余的點云。實踐證明，產品并非放得越正越好，事實上，有些產品要盡量放傾斜，保證都能反射得到。噴射反差劑的時候并非越多越好，其實只需噴上薄薄均勻的一層，效果比厚厚的一層更好。掃描工件一定要注意掃描清楚工件的輪廓線，以方便后面可以更好地處理點云和畫邊界線。當點云處理完成后，開始創(chuàng)建曲線，如圖5所示。由于得出的線并不連貫甚至有些曲率太大，可以通過數(shù)據(jù)線上的點來擬合出一條光順且接近數(shù)據(jù)的線，如圖6所示。這樣得出的線不夠光順，或者與本來的線條有所出入，必須要進行修改。如圖7所示，通過選中局部區(qū)域，診斷曲率，調整線條上的點，使線條曲率光滑過渡。在連線過程中，曲線會出現(xiàn)首尾相連或者與其他曲線相連接，再或者出現(xiàn)小的鋸齒狀波動，這些缺陷在連線中在所難免，可以根據(jù)連出曲線的情況，刪除全部曲線，再有針對性地去修改相應的點云。經過X軸、Y軸、Z軸3個方向對點云進行分層提取，由點至線的線擬合，最終得到產品的曲線網(wǎng)格圖，如圖8所示。
1.3三維造型
將獲得的線模型導入主流的三維軟件中，按順序選擇曲線，生成曲面，進行曲面縫合，通過加厚效果，重定位，最終構件出產品的三維圖，如圖9所示。
2模流分析
CAE系統(tǒng)的核心思想是結構的離散化，就是將實際結構離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結構的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結果。本文模流分析采用的是MOLDFLOW軟件，可在模具加工之前在計算機上對整個注塑成型過程進行模擬分析，包括填充、保壓、冷卻、翹曲、纖維取向、結構應力、收縮以及氣體輔助注射成型和熱固性材料流動分析。此次分析的主要目的是利用分析產品的填充性來比較側面澆口和頂桿潛伏式澆口兩種澆口在模具中的可行性。
2.1建模過程
將汽車后視鏡的實體信息導入MPI模塊中，得到工件網(wǎng)格劃分圖，如圖10所示。該制件的網(wǎng)格總數(shù)為3270個，修復網(wǎng)格，縱橫比不超過20，匹配率應在85%，以上經檢驗修正后符合要求。MPI模塊提供了最佳澆口位置分析功能，根據(jù)分析有助于確定澆口位置并建立澆注系統(tǒng)。根據(jù)如圖11所示的分析結果，當某個位置的因子為1或接近于1時，表示這個位置是最佳的澆口位置。但實際上確定澆口放置的位置時，通常還會考慮澆口在這個位置能否生產出一個產品、產品外觀要求等，要與實際經驗相結合才能確定。當采用一模兩腔設計時，采用兩種澆注系統(tǒng)建模，比較側面澆口（方案1）和頂桿潛伏式澆口（方案2）的可行性。圖12所示為側面澆口澆注系統(tǒng)；圖13所示為頂桿潛伏式澆口澆注系統(tǒng)。
2.2填充結果分析
（1）填充時間比較如圖14所示，方案1的填充時間為2.412s，方案2的填充時間為2.519s。利用查詢結果命令，可以看出熔膠流至對稱區(qū)域的時間較為接近方案1的2.331s和2.337s，方案2的2.427s和2.422s。說明制件兩端填充較平衡，但填充時間為方案1小于方案2。（2）流動前沿溫度一般認為，流動前沿溫度越高，熔膠流動將更為順暢且熔接線強度通常都較好。如圖15所示，本次分析所采用材料的料溫為230℃，方案1熔體大部分的流體前沿溫度分布范圍在230～231℃之前；方案2熔體大部分溫度分布在230～233.1℃?？梢苑直娉龇桨?和方案2的流動前沿溫度中，方案1大于方案2，同時也意味著熔接痕將會發(fā)生在方案1的a位置，方案2的b位置。（3）氣穴如圖16所示，兩個方案產品上的氣穴都分布在分型面和模具配合間隙上，較易排氣。但方案2產品上的氣穴明顯比方案1的多。（）熔接痕如圖17所示，兩個方案的產品都有比較少的熔接痕，都是出現(xiàn)在兩股塑料流交匯處，但方案2的熔接痕要比方案1的熔接痕少一些。綜合比較，方案2除了熔接痕比方案1少一些，其他方面都比方案1差，所以頂桿潛伏式澆口并不適合，側面澆口才是此次流道設計的最佳選擇。對于分析結果不能完全相信，因為其受網(wǎng)格劃分的影響，結果只能是一個參考，如果系統(tǒng)推薦的數(shù)值或結果不符合或不貼近于生產，則可以主觀地選擇合理的方案進行調整，對于后面分析出來的合理結果，可以把結果再反過來用在之前的分析，優(yōu)化前面的參數(shù)設置，以得到更合理的分析結果。使用MOLDFLOW在注塑過程中流變分析，通過對填充和保壓過程的模擬，還可以得到分子趨向、剪切率、剪切應力等結果，并可直觀地顯示出來，從而幫助工藝人員找到產生缺陷的原因。優(yōu)化了注塑成型工藝參數(shù)，降低了產品的開發(fā)和制造成本，有助于工藝人員從本質上了解產生缺陷的原因，找出消除缺陷的辦法。
3結束語
本文構建了汽車后視鏡的三維模型，并且對產品針對側面澆口和頂桿潛伏式澆口流道設計進行了模流分析。通過掃描點云及點云的預處理，由點生成線模型，經過構線優(yōu)化至網(wǎng)格模型，最終得到三維實體模型。將三維模型導入模流分析軟件，根據(jù)一模兩腔的流道設計，采用了側面澆口和頂桿潛伏式澆口流道系統(tǒng)設計，并通過流變分析，得到了填充時間、流道前沿溫度、氣穴分析結果和熔接痕分析結果，優(yōu)化了注射成型工藝參數(shù)。
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作者：肖金 翟倩 張彬 陳偉全 嚴繼超 鄭永濤 李武初 單位：廣東工業(yè)大學 華立學院