CN107134012A - 基于布尔运算与逆向工程精确修改原cad模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于布尔运算与逆向工程精确修改原CAD模型的方法，根据逆向工程重构出一次复模后成品的模型，将重建的模型与原模型进行误差分析，在误差分析报告的基础上，分析各种因素影响的效果，找出主要影响因素，并根据主要影响因素进行有限元分析并提出优化方案，最后通过实验验证优化方案。本方法与传统的根据工艺人员与技术人员的经验多次试模相比深入了解了影响精度的原因，大大节省了多次试模的成本；与基于CAE对对各种因素都分析相比减少了计算量,指明了分析误差的方向，提高了效率。
Description
技术领域
本发明涉及CAD建模领域，特别是涉及基于布尔运算与逆向工程精确修改原CAD模型的方法。
背景技术
硅橡胶模快速复模技术作为注塑成型的一种，具有制作周期短、成本低、弹性好、工件易于脱模等优点，广泛用于性能测试等小批量模具的生产。但是快速成型硅胶模具制作过程中会因为材料本身物理性质而产生误差，比如硅胶的挤压产生的弹性形变，重力作用产生的弹性形变，材料的收缩率等等，这些都会对浇注件成型带来不可忽视的影响。传统提高精度的方法主要是根据经验数据或通过实验进行多次测量来估计误差并对原模型进行补偿与优化，徐联强等基于逆向工程通过对零件的改型设计提高制造精度，此法只是针对表面现象对零件进行修改，并没有分析出影响零件精度的本质因素同时也没有明确提出修改方法；如今随着CAE技术的发展，欧智华等通过MoldFlow软件对硅胶模真空注型过程进行了流动性分析与翘曲分析。由于目前注塑分析软件几乎是按照传统注塑成型过程来分析，而硅胶模复模与传统注塑成型在模具变形情况，浇口出剪切速率、剪切压力，制品冷却条件等方面有一定的差异，如果按照传统分析过来来分析浇注过程，很难考虑硅胶模复模过程的特点，完全从理论上来进行分析，分析没有针对性。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明提供一种基于布尔运算与逆向工程精确修改原CAD模型的方法，利用手持式扫描仪对用硅胶模具复模得到的注型件进行扫描，通过逆向工程对获得的点云数据进行处理与三维模型重建，将重建的模型与原CAD模型进行拟合与误差分析，在误差分析的基础上精确分析影响注型件精度的因素，并根据主要影响因素对CAD模型进行误差补偿，从而精确提高模型精度，为达此目的，本发明提供一种基于布尔运算与逆向工程精确修改原CAD模型的方法，具体步骤如下：
1）在计算机上设计出CAD模型；
2）通过3D打印或CNC加工的方法制造出原模型，将原模型称为模型一；
3）利用硅胶模复模技术，根据模型一制作出硅胶模具并进行真空注型，得到一次复模的成品，称之为成品一；
4）利用手持式扫描仪对成品一进行扫描，得到点云数据；
5）将点云数据在Geomagic Studio软件中进行处理，分别运用删除非连接项、删除体外孤点、减少噪音、封装、按曲率填充单个孔、快速光顺、去除特征、网格医生相应命令对获得的数据进行处理与筛选，保留误差较小的点云数据；
6）将处理好的点云数据在Geomagic Studio软件中进行特征提取，根据处理好的点云数据运用拟合命令，从中提取出精确的模型特征，将提取好特征的模型称为模型二；
7）将提取好特征的模型与CAD模型一同导入到Geomagic Control软件中，设置CAD模型为Reference,提取好特征的模型为Test，利用Test中的特征与Reference中的特征将两模型进行基于特征的对齐，为了消除人为对齐误差，再将两模型进行最佳拟合对齐；
8）对对齐好的模型进行误差分析，运用3D比较命令，设置误差色谱，得出成品一与CAD模型的误差分析报告，并进行误差色谱分析；
9）在误差分析报告的基础上，根据误差色谱图，得出各处误差尺寸，总结分析影响成品一精度的因素，根据实际设计中对成品一精度的要求，找出对成品精度影响较大的因素；
10）在有限元分析软件ANSYS中，对由误差分析报告总结出的因素如何影响成品一的精度进行精确分析，并将精确分析结果与实际情况进行对照，确保分析的准确性；
11）在有限元精确分析各主要因素如何影响成品一精度的基础上，根据误差尺寸修改CAD模型，由于一般误差尺寸不能精确求出，故对CAD模型尺寸的修改按以下步骤；
步骤一，首先在Magic软件中求出模型二与CAD模型的质心；
步骤二，将模型二与最初的CAD原型件在Magics软件中进行质心对齐，使两模型空间上的基准位置统一；
步骤三，对对齐好的两模型进行布尔运算，将CAD原型件模型在MAGICS软件环境下“差”去模型二的模型，得到一个新模型称为模型三；
步骤四，将模型三在Geomagic-Studio软件中对模型的每个面独立分割出来；
步骤五，回到Magics软件中进行补偿，以CAD模型外侧平面为镜像平面，将第一次布尔运算后分割的独立面逐个进行镜像对称形成副本，并删除原独立面；
步骤六，再次将所有镜像后的独立面和CAD模型进行“并”的布尔运算得出初步优化模型；
步骤七、将初步优化模型导入Geomagic Studio软件中运用表面光顺与网格医生命令，提高模型的表面质量，得出最终优化模型。
本发明的进一步改进，所述步骤三利用ABS材料进行真空注型。
本发明的进一步改进，所述步骤四手持式扫描仪采用Handy-Scan手持式扫描仪。
本发明一种基于布尔运算与逆向工程精确修改原CAD模型的方法，根据逆向工程重构出一次复模后成品的模型，将重建的模型与原模型进行误差分析，在误差分析报告的基础上，分析各种因素影响的效果，找出主要影响因素，并根据主要影响因素进行有限元分析，根据分析结果基于布尔运算对原CAD模型进行修改，对复模过程中产生的误差进行补偿，最后通过实验验证优化方案。本方法与传统的根据工艺人员与技术人员的经验多次试模相比深入了解了影响精度的原因，大大节省了多次试模的成本；与基于CAE对对各种因素都分析相比减少了计算量,指明了分析误差的方向，提高了效率。
附图说明
图1为本发明具体实施例误差色谱图一；
图2为本发明具体实施例误差色谱图二；
图3为本发明硅胶模具受力分析图一；
图4为本发明硅胶模具受力分析图二；
图5为本发明硅胶在受力作用下的变形图；
图6为本发明复模后成品尺寸的收缩率与模具型腔壁厚的关系图；
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种基于布尔运算与逆向工程精确修改原CAD模型的方法，利用手持式扫描仪对用硅胶模具复模得到的注型件进行扫描，通过逆向工程对获得的点云数据进行处理与三维模型重建，将重建的模型与原CAD模型进行拟合与误差分析，在误差分析的基础上精确分析影响注型件精度的因素，并根据主要影响因素对CAD模型进行误差补偿，从而精确提高模型精度。
具体实施例如下：
1）在计算机上设计出CAD模型；
2）通过3D打印或CNC加工的方法制造出原模型，将原模型称为模型一；
3）利用硅胶模复模技术，根据模型一制作出硅胶模具并进行真空注型，得到一次复模的成品，称之为成品一；
4）利用Handy-Scan手持式扫描仪对成品一进行扫描，得到点云数据；
5）将点云数据在Geomagic Studio软件中进行处理，分别运用删除非连接项、删除体外孤点、减少噪音、封装、按曲率填充单个孔、快速光顺、去除特征、网格医生相应命令对获得的数据进行处理与筛选，保留误差较小的点云数据；
6）将处理好的点云数据在Geomagic Studio软件中进行特征提取，根据处理好的点云数据运用拟合命令，从中提取出精确的模型特征，将提取好特征的模型称为模型二；
7）将提取好特征的模型与CAD模型一同导入到Geomagic Control软件中，设置CAD模型为Reference,提取好特征的模型为Test，利用Test中的特征与Reference中的特征将两模型进行基于特征的对齐，为了消除人为对齐误差，再将两模型进行最佳拟合对齐；
步骤4-7具体步骤通过手持式扫描仪Handy-Scan对一次复模后的成品进行扫描，获得点云数据。并利用VXelements以及Geomagic-Studio软件首先对点云数据进行删除非连接项、体外孤点等处理，在此过程中控制模型由于点云数据处理简化而引起的误差，保证模型上每个点误差范围均在-0.01mm--+0.01mm；接着将点云数据封装成三角面片，对模型表面进行光顺、删除坏边等操作，尽量减少处理过程中引起的误差。
8）对对齐好的模型进行误差分析，运用3D比较命令，设置误差色谱，得出成品一与CAD模型的误差分析报告，并进行误差色谱分析；
步骤8在Geomagic-Control软件中对处理完的模型提取平面、圆柱面等特征，并基于这些特征与原CAD模型进行最佳拟合，接着设置偏差色谱值进行误差分析，得出误差分析报告；
9）在误差分析报告的基础上，根据误差色谱图如图1和2所示，得出各处误差尺寸，总结分析影响成品一精度的因素，根据实际设计中对成品一精度的要求，找出对成品精度影响较大的因素；
由误差报告图可以看出在制品底面，误差波动范围呈现“中间薄，四周厚”的一个逐渐过渡的趋势，结合色谱的误差数值可以发现制品底面中间厚度比原模型尺寸小，四周厚度比原始模型尺寸大，结合上文对硅胶模复模与普通注塑成型的不同点来分析，此现象主要是由于硅胶模本身由于重力产生形变，导致型腔大小改变所致；另外，从制品四壁分析误差，除了最上面四个拐角处以外，制品四壁厚度整体与原模型尺寸相比都偏小，结合目前对注塑成型误差分析几个方向来看，此现象主要是由于制品本身的收缩引起的。因此，根据误差分析报告，将此模型利用硅胶模复模时影响制品精度的主要因此归纳简化为硅胶模自身的变形以及ABS材料在固化时的收缩。
10）在有限元分析软件ANSYS中，对由误差分析报告总结出的因素如何影响成品一的精度进行精确分析，并将精确分析结果与实际情况进行对照，确保分析的准确性；
其中主要考虑以下两个方面：
1）硅胶模具变形产生的误差情况如下：
由于硅胶具有弹性，故在外力作用下很容易变形，具体受力分析如图3和图4所示：
由力的平衡方程得：
G1=m1g；
F1=F2=F1’=F2’=0.5G1；
G2=m2g；
FN=G1+G2=m1g+m2g；
在本次试验中m1=2.6kg，m2=3.2kg，硅胶弹性模量E为1.2Gpa，泊松比为0.48.根据受力分析图及硅胶性能的相关条件通过ANSYS对硅胶进行有限元分析，分析硅胶在以上受力作用下的变形情况，结果如图5所示：
由有限元分析结果可以看到，由于硅胶模具本身变形导致制品下表面出现“中间薄，四周厚”的现象。
2）ABS自身的收缩情况如下：
ABS在冷却过程中的收缩主要与模具中型腔的壁厚有关，根据多次实验分析出复模后成品尺寸的收缩率与模具型腔壁厚的关系如图6所示。由图中所得出的基本规律是：随模具型腔壁厚的增加,制品收缩率先变大再变小，利用此图可以根据壁厚预估出复模后成品的收缩率。
11）在有限元精确分析各主要因素如何影响成品一精度的基础上，根据误差尺寸修改CAD模型，由于一般误差尺寸不能精确求出，故对CAD模型尺寸的修改按以下步骤；
步骤一，首先在Magic软件中求出模型二与CAD模型的质心；
步骤二，将模型二与最初的CAD原型件在Magics软件中进行质心对齐，使两模型空间上的基准位置统一；
步骤三，对对齐好的两模型进行布尔运算，将CAD原型件模型在MAGICS软件环境下“差”去模型二的模型，得到一个新模型称为模型三；
步骤四，将模型三在Geomagic-Studio软件中对模型的每个面独立分割出来；
步骤五，回到Magics软件中进行补偿，以CAD模型外侧平面为镜像平面，将第一次布尔运算后分割的独立面逐个进行镜像对称形成副本，并删除原独立面；
步骤六，再次将所有镜像后的独立面和CAD模型进行“并”的布尔运算得出初步优化模型；
步骤七、将初步优化模型导入Geomagic Studio软件中运用表面光顺与网格医生命令，提高模型的表面质量，得出最终优化模型。
实际运用中得到最终优化模型后还可以将优化后的模型通过3D打印的方法，打印出工件，并以此为基础再进行一次复模过程。再将二次复模得到的成品通过扫描与处理再次生成三维模型，并与CAD模型进行误差分析，得出误差分析报告，验证上述步骤的可行性，经过验证可行性极高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
Claims (3)
1.基于布尔运算与逆向工程精确修改原CAD模型的方法，具体步骤如下，其特征在于：
1）在计算机上设计出CAD模型；
2）通过3D打印或CNC加工的方法制造出原模型，将原模型称为模型一；
3）利用硅胶模复模技术，根据模型一制作出硅胶模具并进行真空注型，得到一次复模的成品，称之为成品一；
4）利用手持式扫描仪对成品一进行扫描，得到点云数据；
5）将点云数据在Geomagic Studio软件中进行处理，分别运用删除非连接项、删除体外孤点、减少噪音、封装、按曲率填充单个孔、快速光顺、去除特征、网格医生相应命令对获得的数据进行处理与筛选，保留误差较小的点云数据；
6）将处理好的点云数据在Geomagic Studio软件中进行特征提取，根据处理好的点云数据运用拟合命令，从中提取出精确的模型特征，将提取好特征的模型称为模型二；
7）将提取好特征的模型与CAD模型一同导入到Geomagic Control软件中，设置CAD模型为Reference,提取好特征的模型为Test，利用Test中的特征与Reference中的特征将两模型进行基于特征的对齐，为了消除人为对齐误差，再将两模型进行最佳拟合对齐；
8）对对齐好的模型进行误差分析，运用3D比较命令，设置误差色谱，得出成品一与CAD模型的误差分析报告，并进行误差色谱分析；
9）在误差分析报告的基础上，根据误差色谱图，得出各处误差尺寸，总结分析影响成品一精度的因素，根据实际设计中对成品一精度的要求，找出对成品精度影响较大的因素；
10）在有限元分析软件ANSYS中，对由误差分析报告总结出的因素如何影响成品一的精度进行精确分析，并将精确分析结果与实际情况进行对照，确保分析的准确性；
11）在有限元精确分析各主要因素如何影响成品一精度的基础上，根据误差尺寸修改CAD模型，由于一般误差尺寸不能精确求出，故对CAD模型尺寸的修改按以下步骤；
步骤一，首先在Magic软件中求出模型二与CAD模型的质心；
步骤二，将模型二与最初的CAD原型件在Magics软件中进行质心对齐，使两模型空间上的基准位置统一；
步骤三，对对齐好的两模型进行布尔运算，将CAD原型件模型在MAGICS软件环境下“差”去模型二的模型，得到一个新模型称为模型三；
步骤四，将模型三在Geomagic-Studio软件中对模型的每个面独立分割出来；
步骤五，回到Magics软件中进行补偿，以CAD模型外侧平面为镜像平面，将第一次布尔运算后分割的独立面逐个进行镜像对称形成副本，并删除原独立面；
步骤六，再次将所有镜像后的独立面和CAD模型进行“并”的布尔运算得出初步优化模型；
步骤七、将初步优化模型导入Geomagic Studio软件中运用表面光顺与网格医生命令，提高模型的表面质量，得出最终优化模型。
2.根据权利要求1所述的基于布尔运算与逆向工程精确修改原CAD模型的方法，其特征在于：所述步骤三利用ABS材料进行真空注型。
3.根据权利要求1所述的基于布尔运算与逆向工程精确修改原CAD模型的方法，其特征在于：所述步骤四手持式扫描仪采用Handy-Scan手持式扫描仪。
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