汽車后視鏡逆向造型及模流分析*

肖 金，翟 倩，張 彬，陳偉全，嚴(yán)繼超，鄭永濤，李武初

（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣州 511325）

0 引言

逆向工程技術(shù)起源于精密測量和質(zhì)量檢驗(yàn)，是通過設(shè)計(jì)下游向上游反饋數(shù)據(jù)信息的回路[1-2]。逆向工程技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用背景，盡管各種軟件有強(qiáng)大快速的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD）功能，但是仍然無法滿足復(fù)雜曲面零件的需求，有時(shí)要用黏土或泡沫模型代替CAD設(shè)計(jì)，逆向工程需要將這些物理模型轉(zhuǎn)換為CAD 模型[1,3]。逆向工程系統(tǒng)主要由產(chǎn)品物理集合形狀數(shù)字化、CAD 模型重建、產(chǎn)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(diǎn)放在一種逆向重塑上，被稱為“實(shí)物逆向工程”[2,6]，其可定義為將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型以及相關(guān)的數(shù)字化信息技術(shù)、幾何結(jié)構(gòu)模型重建技術(shù)和產(chǎn)品生產(chǎn)制造技術(shù)的總稱，是將已有研究產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為一個(gè)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)理論模型，在此基礎(chǔ)上對已有產(chǎn)品進(jìn)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(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立和發(fā)展自己的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，進(jìn)一步創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)[1]。逆向工程可以通過重構(gòu)產(chǎn)品零件的CAD模型，對原型信息進(jìn)行修改和再設(shè)計(jì)，這不僅為產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)及創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)提供了數(shù)字原型，也為各種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)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(dāng)流動產(chǎn)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(jìn)行分析模擬，對填充方式進(jìn)行預(yù)測與分析，預(yù)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(jìn)模具，并減少返工廢料。

圖1 逆向工程流程圖

1 汽車后視鏡模型重構(gòu)

1.1 點(diǎn)云采集

本次逆向設(shè)計(jì)采用的是LASER-RE600Ⅱ三維激光掃描機(jī)，測量原理為：將被測物體置于三坐標(biāo)測量空間，可獲得被測物體上各測點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)計(jì)算求出被測物體的幾何尺寸、形狀和位置。為了減少點(diǎn)云噪點(diǎn)，提高點(diǎn)云質(zhì)量，采集點(diǎn)云前，要對汽車后視鏡進(jìn)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(zhǔn)確性，必須對系統(tǒng)中心誤差進(jìn)行補(bǔ)償，圖3所示為對轉(zhuǎn)臺中心坐標(biāo)的測定。

圖2 工件預(yù)先處理

圖3 轉(zhuǎn)臺定中心

1.2 點(diǎn)云處理

該次掃描比較成功，得到的點(diǎn)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(dǎo)致有2個(gè)面缺失掃描，基本符合以后的建模要求，需要在點(diǎn)云處理時(shí)補(bǔ)上，這將增加創(chuàng)建時(shí)的難度。本次掃描是進(jìn)行了3次旋轉(zhuǎn)掃描，一共掃描了4次，每次掃描都會互相有很多重復(fù)和交叉的點(diǎn)云或者分層現(xiàn)象，這對后面的曲線或者曲面構(gòu)造的影響非常大，所以一定要處理掉這些多余的點(diǎn)云。

圖4 拼接點(diǎn)云

圖5 創(chuàng)建線

實(shí)踐證明，產(chǎn)品并非放得越正越好，事實(shí)上，有些產(chǎn)品要盡量放傾斜，保證都能反射得到。噴射反差劑的時(shí)候并非越多越好，其實(shí)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(diǎn)云和畫邊界線。

當(dāng)點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行修改。如圖7所示，通過選中局部區(qū)域，診斷曲率，調(diào)整線條上的點(diǎn)，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(yīng)的點(diǎn)云。經(jīng)過X軸、Y軸、Z軸3個(gè)方向?qū)c(diǎn)云進(jìn)行分層提取，由點(diǎn)至線的線擬合，最終得到產(chǎn)品的曲線網(wǎng)格圖，如圖8所示。

圖6 擬合線

圖7 局部梳形圖

1.3 三維造型

將獲得的線模型導(dǎo)入主流的三維軟件中，按順序選擇曲線，生成曲面，進(jìn)行曲面縫合，通過加厚效果，重定位，最終構(gòu)件出產(chǎn)品的三維圖，如圖9所示。

圖8 曲線網(wǎng)格圖

圖9 產(chǎn)品三維圖

2 模流分析

CAE 系統(tǒng)的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)構(gòu)離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散體進(jìn)行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果。

本文模流分析采用的是MOLDFLOW軟件，可在模具加工之前在計(jì)算機(jī)上對整個(gè)注塑成型過程進(jìn)行模擬分析，包括填充、保壓、冷卻、翹曲、纖維取向、結(jié)構(gòu)應(yīng)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(chǎn)品的填充性來比較側(cè)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(shí)體信息導(dǎo)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3 270個(gè)，修復(fù)網(wǎng)格，縱橫比不超過20，匹配率應(yīng)在85%，以上經(jīng)檢驗(yàn)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(jié)果，當(dāng)某個(gè)位置的因子為1或接近于1時(shí)，表示這個(gè)位置是最佳的澆口位置。但實(shí)際上確定澆口放置的位置時(shí)，通常還會考慮澆口在這個(gè)位置能否生產(chǎn)出一個(gè)產(chǎn)品、產(chǎn)品外觀要求等，要與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合才能確定。當(dāng)采用一模兩腔設(shè)計(jì)時(shí)，采用兩種澆注系統(tǒng)建模，比較側(cè)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(cè)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)。

圖10 網(wǎng)格劃分

圖11 最佳澆口位置分析

圖12 側(cè)面澆口澆注系統(tǒng)

圖13 頂桿潛伏式澆注系統(tǒng)

2.2 填充結(jié)果分析

（1）填充時(shí)間比較

如圖14 所示，方案1 的填充時(shí)間為2.412 s，方案2 的填充時(shí)間為2.519 s。利用查詢結(jié)果命令，可以看出熔膠流至對稱區(qū)域的時(shí)間較為接近方案1 的2.331 s 和2.337 s，方案2 的2.427 s 和2.422 s。說明制件兩端填充較平衡，但填充時(shí)間為方案1小于方案2。

圖14 填充時(shí)間分析

（2）流動前沿溫度

一般認(rèn)為，流動前沿溫度越高，熔膠流動將更為順暢且熔接線強(qiáng)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(shí)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。

圖15 流動前沿溫度

（3）氣穴

如圖16所示，兩個(gè)方案產(chǎn)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(chǎn)品上的氣穴明顯比方案1的多。

圖16 注射氣穴分析

（4）熔接痕

如圖17所示，兩個(gè)方案的產(chǎn)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(cè)面澆口才是此次流道設(shè)計(jì)的最佳選擇。對于分析結(jié)果不能完全相信，因?yàn)槠涫芫W(wǎng)格劃分的影響，結(jié)果只能是一個(gè)參考，如果系統(tǒng)推薦的數(shù)值或結(jié)果不符合或不貼近于生產(chǎn)，則可以主觀地選擇合理的方案進(jìn)行調(diào)整，對于后面分析出來的合理結(jié)果，可以把結(jié)果再反過來用在之前的分析，優(yōu)化前面的參數(shù)設(shè)置，以得到更合理的分析結(jié)果。

圖17 熔接核分析

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(yīng)力等結(jié)果，并可直觀地顯示出來，從而幫助工藝人員找到產(chǎn)生缺陷的原因。優(yōu)化了注塑成型工藝參數(shù)，降低了產(chǎn)品的開發(fā)和制造成本，有助于工藝人員從本質(zhì)上了解產(chǎn)生缺陷的原因，找出消除缺陷的辦法。

3 結(jié)束語

本文構(gòu)建了汽車后視鏡的三維模型，并且對產(chǎn)品針對側(cè)面澆口和頂桿潛伏式澆口流道設(shè)計(jì)進(jìn)行了模流分析。通過掃描點(diǎn)云及點(diǎn)云的預(yù)處理，由點(diǎn)生成線模型，經(jīng)過構(gòu)線優(yōu)化至網(wǎng)格模型，最終得到三維實(shí)體模型。將三維模型導(dǎo)入模流分析軟件，根據(jù)一模兩腔的流道設(shè)計(jì)，采用了側(cè)面澆口和頂桿潛伏式澆口流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過流變分析，得到了填充時(shí)間、流道前沿溫度、氣穴分析結(jié)果和熔接痕分析結(jié)果，優(yōu)化了注射成型工藝參數(shù)。