攝像頭精密塑模數(shù)字化設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)探究

胥海均

（深圳納百鑫光學(xué)有限公司 廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，塑料制品的應(yīng)用越來越廣泛，要求也越來越多。但塑料制品需要通過注塑模具才能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，因此，必須提高注塑模具的精密程度才能制造出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品來。近年來，我國模具加工行業(yè)也在快速發(fā)展，精密注塑模具也逐步實(shí)現(xiàn)過程化，同普通的模具相比，精密注塑模具具有精度高、質(zhì)量穩(wěn)定以及壽命長的特點(diǎn)，所制品的精度也非常高，滿足了現(xiàn)代制造企業(yè)的需求。隨著行業(yè)競爭的加劇，模具加工企業(yè)需要朝著更高精度、更低成本、更短加工周期的方向發(fā)展，此時(shí)僅靠傳統(tǒng)的加工工藝已經(jīng)難以滿足要求，需要引入基于數(shù)字化的模具設(shè)計(jì)和優(yōu)化，才能實(shí)現(xiàn)精密注塑模具的高效與高質(zhì)量的生產(chǎn)[1]。

1 傳統(tǒng)精密注塑模具制造工藝流程

傳統(tǒng)精密注塑模具的制造工藝流程見圖1。

首先，由設(shè)計(jì)部門人員基于CAD 軟件進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)，然后將評(píng)審合格的模具設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)交給CAM 部門，再來進(jìn)行模具加工工藝的制定，并編寫數(shù)控加工（NC）的程序以及電火花的加工程序；所有準(zhǔn)備完成以后，將圖紙下發(fā)至現(xiàn)場，并將加工程序?qū)氲郊庸ぶ行闹羞M(jìn)行模具的加工；模具加工完成以后，需要由質(zhì)檢員借助三坐標(biāo)測量儀對(duì)模具加工尺寸、電極的位置、發(fā)電的間隙3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)無誤后將模具及檢測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至EDM 程序進(jìn)行放電處理，作業(yè)人員根據(jù)QC 測定的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，需要對(duì)電極的偏心情況進(jìn)行補(bǔ)償，并準(zhǔn)確輸入放電間隙，防止損壞型腔；放電完成以后，一副注塑模具就已加工完成，然后需要進(jìn)行試裝備試模。

傳統(tǒng)加工過程的精密性主要體現(xiàn)在精密測繪、精密加工、精密測量以及精密放電幾個(gè)方面。首先是對(duì)客戶的樣品進(jìn)行精密測繪，輸出高精度的圖紙；然后加工中心的加工精度必須要高，既包括了型腔的精度也包括了電極的精度，為后續(xù)發(fā)電的精度保證奠定基礎(chǔ)。其次是需要精密的測量，對(duì)電極的加工偏移量以及放電位置的加工間隙進(jìn)行測量，這一工序?qū)芩苣５募庸び兄匾饬x，尤其是針對(duì)偏移量，其將作為放電加工補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)所在。到EDM工序時(shí)，精確輸入QC 所測數(shù)據(jù)是保證注塑模具加工精度的基礎(chǔ)。然后，各工序之間是獨(dú)立運(yùn)行的，其數(shù)據(jù)格式也各不相同，數(shù)據(jù)共享的難度系數(shù)較大，造成數(shù)據(jù)不同步。同時(shí)，由于電極的數(shù)目眾多，無法做到全檢，因此，目前多采用抽檢的形式，以樣本代替總體的方法進(jìn)行補(bǔ)償，因此會(huì)造成部分模具的效果不佳。為了提高精密性，最直接的方法就是進(jìn)行全檢，但需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。此外，樣品的測繪精度受到人員、環(huán)境等因素的干擾，精度波動(dòng)性也非常大，而數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)則是解決上述問題的最好方法。

2 精密塑模數(shù)字化設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)

2.1 塑件的數(shù)字化模型重建

2.1.1 逆向工程技術(shù)

逆向工程技術(shù)也被稱為反求的工程，其是基于數(shù)字化測量儀器，準(zhǔn)確地構(gòu)建出產(chǎn)品的坐標(biāo)，通過進(jìn)一步的修訂和校核并結(jié)合產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格、用途以及功能等參數(shù)，最終構(gòu)建出一個(gè)精確的數(shù)字化模型的技術(shù)[2]，該技術(shù)一方面可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行尺寸測量，另一方面也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的改進(jìn)，可以大大縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，同時(shí)也大大提高生產(chǎn)效率。目前，有兩款常用的逆向工程軟件，其一是Geomagic Studo，其最大優(yōu)勢是可以通過精準(zhǔn)掃描生成任意的零部件的數(shù)字模型；其二是CATIA，因其具有數(shù)字化的曲面編輯器和快速曲面模塊而應(yīng)用更為廣泛，基于這兩個(gè)模塊，可以生成更精準(zhǔn)的曲線。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

對(duì)于細(xì)節(jié)多、特征多、體積小的零部件，僅僅依靠三坐標(biāo)測量儀來測量，數(shù)據(jù)極易出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致產(chǎn)品圖紙偏差較大，對(duì)于后續(xù)精密注塑模具的設(shè)計(jì)帶來不便。為了提高精度，可以采用手持式激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，見圖2。目前，應(yīng)用最廣泛且精度最高的為加拿大生產(chǎn)的REVSCAN型儀器，其原理是將激光照射到零件上，然后借助CCD 來接受漫射光，然后根據(jù)成像原理形成三維坐標(biāo)，其精度可控化在0.05 mm 以內(nèi)。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

肝癌為臨床常見惡性腫瘤,發(fā)病隱匿,多數(shù)患者出現(xiàn)臨床癥狀時(shí)已為晚期,5年存活率<10%。因此,肝癌早期診斷具有重要意義,甲胎蛋白(AFP)為臨床診斷肝癌的常見血清腫瘤標(biāo)記物,但其敏感性約39%~64%,特異性約為76%~91%,易出現(xiàn)誤診、漏診情況,給臨床診斷和治療帶來不便[1]。研究指出[2],肝癌組織因各因素導(dǎo)致PIVKA-II釋放入血,但其作用機(jī)制尚未完全明確。

將掃描的初步數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic studio 軟件中，將所獲取的點(diǎn)云全部轉(zhuǎn)換成面片，然后通過折角的方式將無用的點(diǎn)云刪除，從而使零件的曲面光滑。然后再通過填補(bǔ)、松弛、拉伸等技術(shù)操作后，可以得到一個(gè)平滑完整的數(shù)據(jù)模型。將模型擺至標(biāo)準(zhǔn)三維坐標(biāo)中，形成標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)下的片體數(shù)據(jù)。然后基于CATIA 軟件，將這些片體進(jìn)行曲面的重構(gòu)，通過曲面擬合、曲面修剪的縫合、曲面精度的校核，最終得到實(shí)體模型[3]。

2.2 模具方案數(shù)字化設(shè)計(jì)

模具方案設(shè)計(jì)著重在產(chǎn)品的分析、分型面及模仁設(shè)計(jì)、澆筑系統(tǒng)設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、脫模機(jī)構(gòu)等5 個(gè)方面。

2.2.1 產(chǎn)品分析

由于產(chǎn)品的類別眾多，特征也很復(fù)雜，而且其要求也各不盡相同，因此，在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)之前，必須對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面分析，分析要點(diǎn)包括產(chǎn)品尺寸、產(chǎn)品體積、產(chǎn)品拔模檢測、產(chǎn)品工藝特征等。對(duì)于不同的聚合物，其特征及適用的成型方法亦各不相同，因此，還需要充分考慮產(chǎn)品的原材料，基于原材料進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)。

2.2.2 分型面及模仁設(shè)計(jì)

分型面是指模具中在產(chǎn)品位置凝料的面，其設(shè)計(jì)與產(chǎn)品的大小、形狀、厚度等因素相關(guān)，其設(shè)計(jì)對(duì)模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也具有重大影響。分型面一般可以設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的同一側(cè)，從而可以有效降低模具的加工難度。而模仁也處于模具的中心位置，是模具精密與否的關(guān)鍵零件。一般模仁需要采用特殊的鋼材來加工，以獲得最佳的效果。為了進(jìn)一步提高注塑模具的精準(zhǔn)度，可以在易磨損、難加工位置設(shè)計(jì)模仁鑲件，從而有利于排氣和加工，提高模具的壽命。

2.2.3 澆筑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.4 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

精密注塑模具的冷卻系統(tǒng)的目的是為了快速降低原料的溫度，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的凝結(jié)，其對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及成本具有極大影響。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮模具的可控快速降溫和降溫的均勻性兩個(gè)問題，尤其是后者，若降溫不均勻，就會(huì)直接導(dǎo)致產(chǎn)品翹曲的問題。目前，常用的冷卻介質(zhì)主要是水和油，而水的成本低且比例大，因此應(yīng)用更為廣泛[4]。

2.2.5 脫模動(dòng)作設(shè)計(jì)

（1）當(dāng)產(chǎn)品達(dá)到預(yù)定的保壓時(shí)間之后，澆口的溫度就會(huì)降至轉(zhuǎn)變溫度的臨界點(diǎn)，塑件會(huì)處于冷卻的狀態(tài)，當(dāng)開模時(shí)，注塑機(jī)定距頂出的產(chǎn)品，同時(shí)兩根澆口頂針會(huì)朝著料筒的方向移動(dòng)兩次，每次定距1 mm，完成動(dòng)作后，設(shè)備復(fù)位。此時(shí)，注塑機(jī)的頂針會(huì)受到注塑機(jī)合模力以及限位桿的雙重作用，其會(huì)牢牢被固定，不會(huì)再發(fā)生位移。在完成上述所有動(dòng)作后，側(cè)澆口將會(huì)從模具的內(nèi)部被切斷。

（2）當(dāng)產(chǎn)品完全冷卻后，模板會(huì)按照既定的程序來打開，由于尼龍開閉器的存在，脫料板和定模板就會(huì)被最先打開。注塑機(jī)開模時(shí)產(chǎn)生的開模力會(huì)將流道凝料從束口流道位置斷開，其中一部分會(huì)留在模具型腔內(nèi)，另一部分則會(huì)殘留在脫料板上。然后定模座板與脫料板的分型面會(huì)被打開，從而將拉料銷中的凝料全部清除。最后，尼龍避開器會(huì)被拉開，從而打開“動(dòng)”及“定”模板。

（3）注塑機(jī)會(huì)推動(dòng)頂針板運(yùn)動(dòng)，頂針板會(huì)將產(chǎn)品頂住，然后澆口在澆口頂針的位置被切斷，在澆口頂針的作用之下，冷料就會(huì)順利脫模掉落。

2.3 智能模具加工島

一般來說，智能加工島主要由數(shù)控中心、精密型數(shù)控、火花成型機(jī)床機(jī)器人、預(yù)調(diào)臺(tái)、電子看板、標(biāo)簽機(jī)等組成。

整個(gè)加工島是由MES 系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)作進(jìn)行協(xié)調(diào)，依照實(shí)際的加工需求來調(diào)度設(shè)備，從而加工出合格的產(chǎn)品。首先，操作人員先將毛坯件有序擺放，并在庫架上進(jìn)行拼裝。對(duì)于庫架上的所有物件，均具有唯一的編碼，根據(jù)庫位編碼，利用DRID 讀取器，對(duì)所有物料進(jìn)行快速掃描，保證入庫工作高效完成。在數(shù)據(jù)信息被錄入后，還需要借助MES 系統(tǒng)關(guān)聯(lián)這些數(shù)據(jù)，然后根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際作業(yè)情況對(duì)加工順序進(jìn)行微調(diào)，確保加工過程的穩(wěn)定性。機(jī)械手在接收到指令后，執(zhí)行動(dòng)作并將指令傳遞至相應(yīng)的設(shè)備中，從而控制設(shè)備按照既定要求精確操作。

2.4 模具工藝設(shè)計(jì)

注塑成型的原理是將設(shè)計(jì)好的注塑模具安裝至注塑機(jī)上后，注塑機(jī)的合模機(jī)構(gòu)會(huì)將其緊密貼合，然后熔融物料會(huì)通過流道進(jìn)入產(chǎn)品型腔中，經(jīng)過保溫、保壓以及冷卻后，塑料件就可以通過注塑機(jī)的頂針頂出，形成注塑制品。這種工藝過程操作非常簡單，同時(shí)效率也極高，也會(huì)根據(jù)不同的模具設(shè)計(jì)可以制造各式各樣的異型件產(chǎn)品，并為批量化生成提供了條件。注塑產(chǎn)品廠家需要根據(jù)其型號(hào)和規(guī)格精確的設(shè)計(jì)型腔及3D 數(shù)模，此時(shí)可以應(yīng)用到CAE 的技術(shù)。該技術(shù)全稱為計(jì)算機(jī)輔助工程，利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和分析能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品模型的分析，然后根據(jù)其輸出的分析結(jié)果，應(yīng)用CAD 技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，最終得到合適的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案[5]。Moldflow 是一款引用廣泛的CAE 軟件，由歐克特公司開發(fā)，可以進(jìn)行澆口位置澆分析、流動(dòng)模擬分析、成型窗口分析、翹曲分析等，可以有效地幫助設(shè)計(jì)者及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行修改。對(duì)于普通的塑件，其分析流程見圖3。通過前處理輸出一個(gè)初始的工藝參數(shù)，然后通過后處理的分析計(jì)算，對(duì)工藝參數(shù)的產(chǎn)品情況進(jìn)行判定，判定的依據(jù)包括產(chǎn)品能否流滿、產(chǎn)品的脫模情況、產(chǎn)品的翹曲情況等，根據(jù)這些結(jié)果，然后基于系統(tǒng)的分析對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，若無需優(yōu)化，則直接輸出一份報(bào)告用于指導(dǎo)后續(xù)的生產(chǎn)。

2.5 大數(shù)據(jù)分析及智能產(chǎn)線調(diào)試

產(chǎn)線的智能調(diào)試需要基于大數(shù)據(jù)和智能技術(shù)才能得以運(yùn)行，其中MES 系統(tǒng)充當(dāng)大腦的角色，對(duì)調(diào)試過程、方案等進(jìn)行編排；工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)則負(fù)責(zé)進(jìn)行執(zhí)行，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)際的調(diào)試作業(yè)；FRID 信息識(shí)別系統(tǒng)則充當(dāng)審閱者的角色，對(duì)物料信息進(jìn)行識(shí)別；數(shù)控銑床系統(tǒng)則負(fù)責(zé)對(duì)模具進(jìn)行優(yōu)化。通過并網(wǎng)的運(yùn)行，可以實(shí)時(shí)調(diào)控參數(shù)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的工作點(diǎn)位進(jìn)行校正，確保工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作能夠準(zhǔn)確無誤。

2.6 模具成型零件加工與模具裝配

在前面的工作完成以后，需要進(jìn)行模具成型零件的加工與裝配工作。在所有零件都可以借助FRID 管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化設(shè)計(jì)時(shí)，就需要將工作重心轉(zhuǎn)移至提高模具型腔CDM 的放電加工的水平上來，以確保模具的加工過程的準(zhǔn)確性和高效性。同時(shí)，通過實(shí)時(shí)掃描模型圖紙和模具結(jié)構(gòu)圖，還可以控制系統(tǒng)使其能夠?qū)α慵难b配情況進(jìn)行確認(rèn)，若有異常，則可以通過科學(xué)調(diào)整相關(guān)的工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)加工和裝配的高精密性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的一體化生產(chǎn)。

2.7 數(shù)字化制造工藝流程

在產(chǎn)品圖紙繪制的階段，就需要將所涉及的所有零部件的相關(guān)信息全部錄入系統(tǒng)，并在CAM 編程階段將加工工藝、三坐標(biāo)測量點(diǎn)、電極位置等信息進(jìn)一步錄入信息庫。當(dāng)需要對(duì)模具進(jìn)行加工時(shí)，將數(shù)據(jù)共享至NC 中，從NC 中調(diào)取出相應(yīng)的程序，減少人員操作失誤的情況。加工完成以后，QC 人員直接根據(jù)電極的信息就可以找到相應(yīng)的電極模型并導(dǎo)入到三坐標(biāo)中，測量的結(jié)果直接同步至數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，可以直接從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取測試的結(jié)果。EDM 部門可以直接根據(jù)電極的信息確認(rèn)電極的偏心情況以及放電的間隙，然后再進(jìn)行放電加工?；谝陨希瑪?shù)字化制造工業(yè)可以大大提高模具的加工精度，對(duì)于后續(xù)產(chǎn)品的穩(wěn)定生產(chǎn)具有重要意義。

3 結(jié)語

隨著時(shí)代的進(jìn)步發(fā)展，精密注塑模具的設(shè)計(jì)需要逐步引入數(shù)字化技術(shù)以及智能制造的技術(shù)，為我國模具行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，需要強(qiáng)化數(shù)字化專業(yè)人才的培養(yǎng)，以更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)字化與智能化。