混合制模工艺的应用

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在现有的CAD技术与数字外形取样和处理技术之间存在着一种互补关系，由于这种互补关系导致产生了一种称为混合制模的工艺，它将以扫描为基础的测量能力与外形为基础的制模能力紧紧地结合在一起。

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在过去的10年中，数字外形取样和处理技术（DSSP）已经发展成为CAD补充技术和产品开发技术，帮助成千上万的客户将3D扫描数据转换成数字模型，用于产品的设计、分析、生产和视频演示。

DSSP软件能够自动地通过点阵数据生成NURBS表面图形，使用户能够精确地捕捉和重建物理零件的形状。实践证明，这种功能对于以下应用领域是非常理想的：

（1）捕捉物理设计图形和创建原型。

（2）复制原始零件、模具和工具。

（3）复制有机的复杂形状。

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（4）为模具制造业和CAE应用领域准备模型。

（5）对独特零件进行批量用户化处理。

近年来，在现有的CAD技术与数字外形取样和处理技术（DSSP）之间存在着一种互补关系，由于这种互补关系导致产生了一种称为混合制模的工艺，它将以扫描为基础的测量能力与外形为基础的制模能力紧紧地结合在一起。

本文主要探讨了混合制模方法的优点，并说明如何使用它为一台水泵叶轮创建准确的参数模型，模具厂可以利用这个模型制造用于铸造生产用的模具。

结合一切力量

传统的CAD模型是根据对2D和3D实体结构顺序逐一定义的方法创建的。正如说明性模型所描述的那样，CAD操作人员依靠他们的技术和经验，利用这些实体参数来控制物体的合成形状，制作创建新的设计图形。所完成的参数模型为生成多种变量提供了极大的灵活性，因为这些变量可以利用其形态和功能，应用于多次反复的设计和快速实验之中（见图1）。

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图1  在模具制造业中使用的传统CAD模型及其具有挑战意义的典型实例

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当利用草图制作模型时，采用传统的CAD方法虽然很好，但当用户面临复杂表面图像时，传统方法则存在着一些缺点。它需要花费大量的时间和精力，而且还不能保证可以获得一个精确的模型。在某些情况下，要用一个以外形为基础的方法来复制表面图像几乎是不可能的，因为对控制物体形状的参数进行鉴别和定量分析是很困难的。

混合制模法为克服传统CAD复制复杂表面图像所存在的缺点提供了一个解决方案。基本的几何参考图形，例如数据、曲线和原始特性，可以通过3D扫描数据进行测量和提取。这种工艺可以很容易的在CAD与DSSP软件之间运行，以平衡每一个程序，使其以最好的方式运行。

捕捉物理零件图形

该工艺的第一步是捕捉现有的物理零件图形。作为举例说明的叶轮通过“白光”扫描系统进行扫描，该系统使用两台高分辨率的摄像机来捕捉投射在零件表面上的轮廓图形。然后通过三角测量法来测量零件上的几百万个测量点，分析这些图形，最后生成一个点阵图。

由于零件的光亮表面，需要应用粉末涂层降低其反射率，以免对投射图形发生干扰。形状的复杂性要求其从多个不同的位置进行多次扫描，以提供叶轮表面的全部可见光线（见图2）。

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图2  一个水泵叶轮已经准备就绪，并按照要求进行了扫描

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在叶轮的表面设置中的一系列参数，能够帮助校正多次扫描图像。使用一种称为照相测量法的技术，从高分辨率摄像机获得的图像中，对目标的中心点进行自动检测。将从所有位置上看到的所有点集中起来，就可以为校正所有的扫描图形提供足够的信息了。

扫描仪可以从20多个扫描图形中捕捉到1500个点。扫描图形经过校正和合并以后，可创建出一个多边形模型（见图3）。

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图3  来自扫描系统的STL原始数据

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清理和维修

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在引进扫描数据作为STL模型以后，下一步就是利用DSSP软件内的自动化工艺来清理和维修数据。典型的清理程序包括清除外来的数据、降低噪音、削减数据量以缩小文件大小、填补窟窿和维修交叉点等。所列举的例子是关于整个多边形模型的维修，但是在大部分情况下，只有在参数重建工艺中即将使用的部分模型是需要清理（见图4）。

 

图4  DSSP软件被用于清理和完成多边形模型

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提取曲线和数据

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在DSSP软件中创建模型以后，我们开始通过检测叶轮的中心轴重建轮毂的形状，用一条提取的曲线确定轮毂的外形轮廓，然后通过曲线在轴上的旋转生成一个旋转表面。

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通过选择叶轮外面的参数就可以找到轴线。这个表面积被完全设计成圆柱形，并将生成一个稳定的数据轴。另一种方法就是选用轮毂的表面积，通过旋转表面来计算这个轴线。

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下一步工作是创建轮廓曲线，确定轮毂的形状。在这种情况下，无法提取一条简单的横断面曲线，因为叶片将会干扰轮毂的横断面。但是，我们可以利用 CAD系统中的工具和其他方法——一种可变的截面扫描法。沿着轮毂轴线挤压出一个半圆，生成这个表面图形，然后利用由轮毂表面提取的非平面曲线，控制这个半圆的直径（见图5）。

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图5  在DSSP软件中创建曲线（左图），将曲线引入CAD，并创建一个可变的扫描表面图形

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叶轮的底面对叶片无任何障碍，因此可以提取一条简单的平面曲线，并将其用于创建一个旋转表面图形。

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为了控制表面的形状，创建附加的参数，应考虑采用扫描表面图形的直角边线来创建理想的新曲线。

自由形态的表面测量法

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叶片是叶轮设计中最复杂的因素。这些表面图形的测量非常困难，很难用基础参数定义。然而，应用DSSP软件中的NURBS表面测量法，就能很快地测量出叶片表面图形参数，然后将其引进作为IGES或STEP的特性数据（见图6）。

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图6  DSSP软件中的NURBS表面测量（左图），将NURBS表面图形测量数据引入CAD，并进行造型处理

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在单一的叶片参数引进之后，就可以围绕着引进的数据轴对叶片进行复制，并在轮毂的表面上创建多个叶片。然后用第二个分离的叶片，重复整个引进和造型过程。其具体的做法不是为叶片之间的间隔给出定义，将其作为直接的角度测量值，而是对角度间隔与叶片总数相关的一个参数给出定义。这将使我们能够很容易地改变叶片的数量，同时保持适当的叶片间距。

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将叶片表面图形导入实体模型以后，在表面交叉点上对参数的半径给出定义。这个半径可以在今后的任何时候进行调节。我们仍然可以利用CAD系统中的工具，对许多其他混合体定义，包括可变半径和滚动球体。

修整和混合

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当全部叶片定位后，还需要对附加的数据和曲线定义，并沿着叶轮的外表面进一步完善叶轮的外形轮廓。这时，还需要从DSSP软件中提取出一条非平面轮廓曲线，并使用可变截面扫描生成表面图形，以修整叶片的外表面图形（见图7）。

 

图7  在DSSP软件中确定曲线（左图），利用CAD和采用可变的截面扫描表面，修整叶轮外形

然后，形成了一个圆柱形的表面以修整整个叶轮的外表面。这个圆柱体位于被提取数据轴上的中心，其直径可通过由多边形表面创建的3D圆柱体进行测量。对外面的圆柱体修整以后，可以保证设计图能够生产出一个中心位置完美的对称的叶轮。

快速完整的参数模型

最后的模型可以满足全部的设计参数要求，并证实是一个密闭的实体模型。我们可以采用计算机辅助检验软件，将最后的CAD模型与原来的扫描数据进行比较，以验证其精度（见图8）。

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图8  用计算机辅助检验软件验证模型的精度（左图），用CAD修改叶片的数量和参数，并准备模具制作时使用的模型

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混合模型制作法提供了对轮毂表面形状、混合模型的半径，叶片数量和间距等参数的控制。整个过程，包括扫描、维修和模型制作只需要不到一天的时间就可以全部完成。

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经过一些改造后，采用混合制模法生成的3D模型可用来创建铸造生产用的模具。这种模型可直接用于原型快速成型系统加速快速铸造工艺中的模具生产。

混合制模工艺的优点

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混合制模工艺主要具有以下一些优点：

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（1）可平衡现有的3D投资。

（2）可在较短的时间内创建新的设计图。

（3）可生产地道的CAD几何参数图形。

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（4）可产生精确的结果。

混合制模法将数字图形取样和处理与计算机辅助设计功能相结合，为参数逆向工程提供了一个创新的解决方案。

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CAD系统将继续作为3D数字设计和创造的相关手段，并以DSSP一类的软件作为工具补充，用于测量3D扫描数据和制作复杂的表面模型。这种结合使用户能够迅速、精确地创建地道的参数模型。用户有能力将新的功能融入到CAD模型之中，平衡常见的工作流，利用现有的知识，推进数字设计的框架。