CN102105908A - 用于制造母型模具的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于制造用于构件的母型模具(10)的方法和装置。该方法包括这些步骤：a)接受或建立该构件的CAD模型(23)；b)根据该构件的该CAD模型(23)导出用于所述母型模具(10)的表面模型；c)借助数控机器通过使用该表面模型建立该母型模具(10)；d)用该母型模具(10)制造该构件的一个实体(12)；e)借助基于计算机层析X射线摄影的坐标测量仪获知该构件的该实体(12)的轮廓，该坐标测量仪提供该构件的该实体(12)的表面点的3D点云(22)；f)比较3D点云的3D点(22)与CAD模型(23)并求得是否存在高于预定公差极限的偏差，如果是这种情况，g)根据求得的偏差修改表面模型；h)借助数控机器根据修改后的表面模型再加工母型模具(10)或重新建立母型模具(10)；i)重复步骤d)至h)，直至不存在高于预定公差极限的偏差。
Description
本发明涉及用于制造母型模具的方法和装置。
母型模具在工业制造过程中用于制造构件。例如在压铸技术或铸造技术领域中使用母型模具。借助母型工艺制造装备和装置的多个组成部分作为构件。例如作为压铸件来制造消费品的壳体或壳体壳，例如移动电话壳。
使用母型方法的制造方法的特点在于，用一个母型模具能够以简单的方式制造大量构件，它们分别具有由母型模具预给定的形状。因此，母型模具是要制造的构件的“阴”模。
母型模具现今优选借助计算机控制的机床以自动化的方法流畅制造。在此，从要制造的构件的CAD模型出发制造一个或多个母型模具，它们具有要按照CAD模型制造的构件的“阴”的表面形状。但在实践中表明，通常在母型工艺中用具有要制造的构件的精确阴形的母型模具不能制成与该构件的CAD模型相应的构件。通常在以母型工艺制成的构件和由CAD模型确定的应有构件之间出现不可预知的偏差。这些偏差在现有技术中大多被称为“收缩”。迄今，即使考虑在引入模拟的情况下的母型制造过程，也不能制成制造尺寸精确、形状相符、与其CAD模型一致的母型模具。
为了求得在母型工艺中制成的构件与CAD模型或其它应有给定值之间的偏差，通常用坐标测量仪测量构件。在现有技术中已知机械式坐标测量仪，其中用探头探测构件的表面。在此探头可通过调节装置相对于构件移动。由此分别得知探头在三维空间中的坐标。一旦探头接触到构件，探头的坐标就表明构件的表面坐标。为了以此方式完全探测工件或构件，需要费事并且耗时的测量。此外，复杂的构件形状很难或者不能足够地用这种机械式坐标测量仪探测。
在现有技术中还知道使用基于计算机层析X射线摄影的方法的坐标测量仪。在此使用侵入性射线来研究构件或工件。对于计算机层析X射线摄影(CT)，构件例如通常安置在转台上并且通过转台的旋转在不同的旋转位置被伦琴射线从不同的方向照射。但研究装置的其它几何构造也是可行的和已知的。由于构件或工件的材料中的消光而减弱的射线在位置和时间上分解地被传感器装置探测。在实践中例如摄取被测物体的800到1200之间个投影图像，其中，在每个投影之间所做描述改变一个恒定的旋转角度量。通过使用多种已知的层析X射线摄影改建方法中的一种，例如带过滤的背投，计算出工件的三维图像。该三维图像分别对于各个小的体积区域(体素)表明局域线性吸收系数。DE 39 24 066 A1中描述了CT的一个例子。一CT坐标测量仪提供被测构件的表面点的3D点云。
在现有技术中必要的是，对原本借助计算机支持的机床制成的母型模具在多个迭代步骤中再加工。在此通常通过有经验的模具制造人员的手工干预来修改母型模具。
本发明的技术任务是，提供一种方法和装置，借助它们能够更简单地、尤其很大程度自动化地制造母型模具。
根据本发明，该技术任务通过具有权利要求1的特征的方法以及具有权利要求7的特征的装置或系统来解决。本发明的有利构型由从属权利要求中得知。
在此规定，首先接受或建立构件的CAD模型。为此，用于制造母型模具的装置或系统包括一计算机系统。该计算机系统可以是一个工作站或是多个联网的、不同构型的计算机。接着，根据构件的CAD模型或由此导出的、用于母型模具的表面模型，借助计算机控制的机器建立构件的母型模具，计算机控制的机器也被称为NC机床(数控机)。因此，用于制造母型模具的装置包括与计算机系统在信息方面耦合的计算机控制的机器，用于在使用控制程序的情况下制造母型模具。为此所需的控制和调节单元可以设置在计算机控制的机床中。其它实施方式规定，控制和调节完全在计算机系统内运行并且机床仅通过通讯接口来控制。
接着用这样制成的母型模具以母型工艺或母型方法制造构件实体。借助母型装置，借助建立的母型模具来制造构件实体。
接着借助坐标测量仪感测构件实体的轮廓，尤其借助基于计算机层析X射线摄影的坐标测量仪，它提供构件实体的表面点的3D点云。将3D点云的3D点与CAD模型比较并求出，是否存在高于预定公差极限的偏差。如果是这样，(从任务提出所得知的通常总是这种情况)则根据求得的偏差修改母型模具的表面模型。在此产生相应修正的3D点，它们定义修改后的表面模型。通过利用修改后的、用于母型模具的表面模型，借助计算机支持的机床将母型模具再加工或者，如果这不可能，则重新建立。接着迭代地实施这些步骤：制造实体，感测实体的轮廓以及比较此时求得的3D点与原始CAD模型，必要时进一步修改表面模型并且重新再加工，直至不(再)存在高于预定公差极限的偏差。根据求得的偏差来改变表面模型被自动进行。由此使制造方法很大程度自动化。为制造用于构件的母型模具只还需要简单的装备工作、控制工作等。通常一个迭代步骤足以产生这样的母型模具：用该母型模具可制成在预定公差范围内与由CAD模型预给的应有构件相应的构件或工件。
为了能够优化地控制计算机支持的机床，在一实施方式中规定，根据母型模具的必要时已经修改的表面模型分别自动化地建立一个NC程序(或一些NC程序)，用于在建立和/或修改/重新建立母型模具时控制NC机床。
优选规定，对感测的3D点云的每个3D点按照CAD模型根据求得的与相应的应有点的偏差来确定一个修正的3D点。在此可以理解，借助基于计算机层析X射线摄影的坐标测量仪获得的3D点云的3D点的点密度被选择得适配于所希望的构件公差。
表面模型的修改包括求得修正的3D点，这些3D点确定母型模具的修改后的表面模型，其中，在一级近似中，将感测的3D点云的3D点相应于求得的、它们与按照构件CAD模型的应有表面上的分别与它们相应的点的偏差映射到由(修改后的)表面模型确定的母型模具表面上。
即，在一级近似中一种形状取代偏差，以便修正该偏差，以得到一工件或构件，其在考虑在加工中出现的收缩的情况下提供与由CAD模型确定的形状一致的构件实体。
在一种实施方式中映射到修改后的表面模型的表面上，其方式是，通过其方式是，通过一个3D点和按照CAD模型的构件应有表面的一个相应点画一直线。求得从该3D点指向应有表面的该相应点的距离矢量。然后将该距离矢量沿着直线移动直线，使其底点和该直线与符合(修改后的)表面模型的母型模具表面的交点重合，其中，移动后的距离矢量指向修正的3D点。
如果在求得修正后的3D点时考虑为加工构件实体所使用的材料的材料特性和/或为加工构件实体所使用的加工方法的参数和/或围绕3D点云的各个被感测的3D点周围的局部几何特征和/或围绕CAD模型的相应应有点的局部几何特征和/或围绕与(修改后的)表面模型相符的表面的与这些应有点相应的点周围的局部几何特征和/或围绕所产生的各个修正后的3D点周围的局部几何特征，则可得到进一步改善的结果并从而使迭代步骤优选减少到一个迭代步骤。考虑这些不同的局部几何特征是有利的和重要的，因为在母型方法中与所使用的材料相关地进行偏差，或者说在所建立的母型模具上进行改变，它们大于或者小于通过比较构件实体与CAD模型所求得的偏差。如果例如在母型模具构造为压铸模的情况下设置窄的、深的凹陷，以便在构件上构成薄的、突出的结构，则可能必要的是，该凹陷具有比构件的预期突出结构应具有的宽度大得多的宽度。也可以使用平滑算法，以便对于各个具有强烈局部偏差的测量点得到持续的、不具有不希望的棱边的母型模具形状。
本发明装置或本发明系统的特征和本发明方法的相应特征具有相同的优点。
下面根据优选实施例参考附图详细解释本发明。在此示出：
图1 用于制造母型模具的系统或装置的示意图；
图2 用于解释母型模具的再加工的示意图；
图3 制成的构件实体的轮廓、构件的应有形状和修改后的、母型模具要转变成的表面形状的叠加示意图；和
图4 与图3类似的、用于下一迭代步骤的示意图。
在图1中示意性示出用于制造母型模具的系统或装置1。该装置包括一计算机系统2，它可以是一个单个的计算机或者由多个联网的或以其他通讯技术上可相互更换的计算机组成。该计算机系统这样构造，使得在其上可进行构件的计算机设计，以致建成要制造的部件的CAD模型。该计算机系统2因此包括一设计模型3。替换地，可通过接口4接收构件的CAD模型的数据。根据该CAD模型导出要制造的母型模具的表面模型。还可由构件的CAD模型求得构件的应有表面。在一些实施方式中，在求得表面模型时已经可以使用为制造构件所使用的材料的参数、制造方法的参数和经验值，它们以数据的形式、例如用于一定几何形状和/或表面单元的样本存储，因此，模具的第一表面模型就可能与构件的应有表面有偏差。表面模型的计算或导出在计算机系统2的表面模型模块5中进行。根据母型模具的表面模型在NC程序模块6中产生控制程序(NC程序)。NC程序通过接口7，8在计算机系统和计算机控制的机床9之间交换，借助NC程序制成母型模具10。母型模具10具有一表面，该表面相应于表面模型。接着在母型装置11借助母型模具10来生产要制造的构件的实体12。
在坐标测量仪13中测量构件的实体12。该坐标测量仪优选构造为基于计算机层析X射线摄影的坐标测量仪。基于计算机层析X射线摄影坐标测量仪提供3D点的3D点云，它们反映构件的实体12的所求得的表面轮廓。这些数据通过接口14，15传送给计算机系统2。偏差模块16求得制造的构件实体12的这样求得的表面形状与由CAD模型确定的应有表面的偏差。根据这些偏差，表面模型模块5求得母型模具的表面的修改后的表面模型。接着通过NC程序模块6建立变化了的NC程序并传送给计算机控制的机床9。借助计算机控制的机床9对母型模具10再加工或者，如果不可能再加工则重新制造，其中，母型模具10的表面轮廓就相应于符合修改后的表面模型的表面。接着在母型装置11中制造另一构件实体。它被重新用坐标测量仪13测量。由偏差模块16重新求得与CAD模型的偏差，如果仍存在高于公差极限的偏差，则根据求得的偏差重新进行母型模具10的修改。
如果不存在高于预定公差极限的偏差，则母型模具10制造完成并可例如在批量生产中用于制造多个构件实体。
在图2中再次示出用于修改或修订母型模具的方法步骤。相同的技术特征设置相同的附图标记。在所示情况下构件的实体12是移动电话的壳。首先借助坐标测量仪13测量该构件，该坐标测量仪优选构造为基于计算机层析X射线摄影的坐标测量仪。在此将构件实体多次在不同的取向下用伦琴射线照射，所得到的照射图像借助计算机换算成3D测量点云(简称3D点云22)，它代表构件实体的表面的坐标点。
由构件还产生一CAD模型23。如在方框24中所示，该CAD模型与3D点云22比较。得到在方框25中示意性表示的偏差。这些偏差被用来对母型模具的表面模型进行修改26。这意味着，例如对标准模板库(Standard Template Library)，即表面的组成部分的样本进行修改或者说使用修改后的样本，以便得到修改后的表面模型。替换地可以使用点模型并进行修改。表面模型的代表性可以适配于构件来选择。优选使用点模型。从修改后的表面模型导出修改后的NC程序27，该程序被用于在修订母型模具时控制计算机控制的机床28。
在图3相互叠加地制造的构件的实体12的轮廓31、按照CAD模型应有的表面的轮廓32(它在示例中也等于按照由CAD模型导出的母型模具10表面模型的母型模具表面(第一迭代步骤))和符合修改后的表面模型的母型模具所应有的表面的轮廓33。可很好地看出收缩34，它用构件实体的轮廓31和按照CAD模型的应有表面32之间的之间的一个面表示。表面点、即制造的构件实体12的3D点云的3D点与应有表面的相应点的偏差越大，修改后的表面模型的表面形状与CAD模型或者与按照原始表面模型的表面形状偏差必须越大。在此，通过坐标测量仪获知的3D点在一级近似中映射到CAD模型的表面上。但这只适用于第一迭代步骤。
在图4中叠加地示出借助坐标测量仪获知的另一构件的另一实体的轮廓41，按照该另一构件的CAD模型的应有表面的轮廓42，母型模具的表面的轮廓43，该表面已经修改或者该母型模具的原始表面模型基于考虑构件制造参数而原本已经相对于构件的应有表面修改，以及示出在重新修改母型模具表面模型之后得到的表面轮廓44。对于该另一构件的实体的求得的表面轮廓41的两个3D点A，B，截取到按照CAD模型的应有表面的轮廓42上的相应点a，b的距离矢量rA，rB。此外由彼此相应的点A，a和B，b确定直线gA和gB。求得的距离矢量rA和rB优选被用来求得修正的SD坐标点a′，b′，它们确定母型模具的修改后的表面模型，其方式是，将距离矢量rA和rB沿着直线gA和gB这样移动，以致每个底点分别和直线gA，gB与产生该另一构件的实体的母型模具版本的表面模型的轮廓的交点Sa或Sb重合。这样移动后的距离矢量r′A，r′B的尖指向相应的修正后的3D点a′，b′，它们在一级近似中确定母型模具的修改后的表面模型的轮廓44。当精确考察时，在所示区段中可看出，实际求得的轮廓44不经过修正后的3D点b′。其原因在于，除了绝对偏差外还考虑各个不同的轮廓41-44局域几何特征以及为制造该另一构件所使用的材料的参数和母型方法的其它方法参数。
所示实施方式仅是举例的实施方式。
附图标记列表
1 用于制造母型模具的装置/系统
2 计算机系统
3 设计模型
4 接口
5 表面模型模块
6 NC程序模块
7，8 接口
9 计算机控制的机器
10 模具
11 母型装置
12 构件的实体
13 坐标测量仪
14，15 接口
16 偏差模块
22 3D点云
23 CAD模型
24 方框，代表求得偏差
25 方框，描述偏差
26 表面模型的修改
27 导出修改后的NC程序
28 模具的修订
31 制造的实体的轮廓
32 应有表面的轮廓
33 修改后的表面模型的表面的轮廓
34 收缩
41 另一实体的轮廓
42 按照CAD模型的应有表面的轮廓
43 母型模具的表面的轮廓
44 母型模具的修后的表面轮廓
A，B 被测实体的3D点
a，b 按照CAD模型的构件应有表面上的点
gA 通过点A和a的直线
gB 通过点B和b的直线
Sa 直线gA与用来制造被测实体的模具的表面轮廓的交点
Sb 直线gB与用来制造被测实体的模具的表面轮廓的交点
rA 从点A到点a的距离矢量
rB 从点B到点b的距离矢量
Claims (7)
1.制造用于构件的母型模具(10)的方法，包括：
a)接受或建立该构件的CAD模型(23)；
b)根据该构件的该CAD模型(23)导出用于所述母型模具(10)的表面模型；
c)借助数控机器通过使用该表面模型建立该母型模具(10)；
d)用该母型模具(10)制造该构件的一个实体(12)；
e)借助基于计算机层析X射线摄影的坐标测量仪获知该构件的该实体(12)的轮廓，该坐标测量仪提供该构件的该实体(12)的表面点的3D点云(22)；
f)比较3D点云的3D点(22)与CAD模型(23)并求得是否存在高于预定公差极限的偏差，如果是这种情况，
g)根据求得的偏差修改表面模型；
h)借助数控机器根据修改后的表面模型再加工母型模具(10)或重新建立母型模具(10)；
i)重复步骤d)至h)，直至不存在高于预定公差极限的偏差。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，根据(修改后的)表面模型分别自动化地建立一NC程序，用于在建立和/或修改/重新建立母型模具(10)时控制NC机。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，对感测的3D点云(22)的每个3D点(A，B)根据求得的与CAD模型(23)的相应点的偏差确定一个修正的3D点(a′，b′)。
4.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，表面模型的修改包括求得修正的3D点(a′，b′)，这些3D点确定修改后的表面模型，其中，在一级近似中将感测的3D点云(22)的3D点(A，B)相应于所求得的、它们与符合CAD模型(23)的应有表面上的分别于它们相应的点(a，b)的偏差映射到该母型模具(10)的由(修改后的)表面模型确定的表面上。
5.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，进行到(修改后的)表面模型的表面上的映射，其方式是，通过一个3D点(A，B)和符合CAD模型(23)的构件应有表面上的一个相应点(a，b)划一直线(gA，gB)，求得一从该3D点(A，B)指向应有表面的该相应点(a，b)的距离矢量(rA，rB)，将个距离矢量(rA，rB)沿该直线(gA，gB)移动，使得该距离矢量的底点和该直线(gA，gB)与母型模具(10)的符合(修改后的)表面模型的表面的交点(Sa，Sb)重合，其中，移动后的距离矢量(r′A，r′B)指向修正后的3D点(a′，b′)。
6.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，在求得修正后的3D点(a，b)时考虑为加工构件的实体(12)所使用的材料的材料特性、为加工构件的实体(12)所使用的加工方法的参数、围绕所感测的3D点云各个3D点(A，B)周围的局部几何特征和/或围绕CAD模型(23)的相应应有点(a，b)周围的局部几何特征和/或围绕符合(修改后的)表面模型的表面上的与所述应有点相应的点(Sa，Sb)周围的局部几何特征和/或围绕所产生的各个修正后的3D点(a，b)周围的局部几何特征。
7.用于制造用于构件的母型模具(10)的装置，包括：
a)一计算机系统(2)，用于产生该构件的CAD模型(23)或接受该构件的CAD模型(23)的数据；
b)与该计算机系统(2)在信息技术方面耦合的数控机器(9)，用于通过使用NC程序来加工母型模具(10)；
c)其中，该计算机系统(2)构造用于根据该CAD模型(23)导出母型模具(10)的表面模型并且由此自动化制订用于控制数控机器(9)的NC程序；
d)一母型装置(11)，用于借助所建立的母型模具(10)加工该构件的一实体(12)；
e)一基于计算机层析X射线摄影的坐标测量仪，用于测量加工的构件实体(12)并提供该构件实体(12)的表面点的3D点云(22)；
f)其中，该计算机系统(2)构造用于比较该3D点云(22)的3D点(A，B)与CAD模型(23)并求得是否存在高于预定公差极限的偏差，如果是这样，根据求得的偏差修改表面模型并根据母型模具(10)的修改后的表面模型制订修改后的NC程序，用于通过NC机(9)再加工该母型模具(10)或重新制造母型模具(10)并且控制或推动再加工/重新建立；
g)其中，加工实体、测量实体、求得与CAD模型(23)的偏差、修改母型模具的表面模型和重新修改/新建立母型模具迭代地很大程度自动化地进行。
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