硅膠翻模在逆向設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

崔海龍，李進(jìn)，鄭金才，劉德永

（天津微深科技有限公司，天津300386）

硅膠翻模在逆向設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

崔海龍，李進(jìn)，鄭金才，劉德永

（天津微深科技有限公司，天津300386）

逆向設(shè)計(jì)需要對(duì)現(xiàn)有的物體進(jìn)行測(cè)量而后設(shè)計(jì)，但我們要測(cè)的葉輪，型腔尺寸為曲面結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠溟_(kāi)口小，結(jié)構(gòu)深，很難測(cè)量。在不對(duì)葉輪進(jìn)行破壞的前提下，利用硅膠翻模技術(shù)，在不具備拔模角的情況下，把葉輪型腔分成兩部分。通過(guò)硅膠成型后，對(duì)成型的硅膠進(jìn)行三維掃描，再將掃描的兩塊點(diǎn)云通過(guò)Geomagic軟件進(jìn)行擬合，使其成為一個(gè)完整數(shù)據(jù)，最后根據(jù)點(diǎn)云成功的對(duì)葉輪的內(nèi)部型腔尺寸進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)。

葉輪型腔；三維掃描；逆向設(shè)計(jì)；硅膠翻模；點(diǎn)云

葉輪型腔為扭曲的曲面組成的腔體，兩頭扁平中間粗，任意方向都不具備適宜的拔模角度。常規(guī)的方法只能對(duì)其進(jìn)行切割后再測(cè)繪，但客戶(hù)要求不能破壞零件本身，因?yàn)槠湫颓粌?nèi)大外小，且形狀不規(guī)則，所以獲取其數(shù)據(jù)變得極為困難，給逆向設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多不便。本文把硅膠翻模技術(shù)應(yīng)用于逆向設(shè)計(jì)中，成功解決了葉輪型腔內(nèi)部無(wú)法測(cè)繪的難題，為同類(lèi)問(wèn)題的解決開(kāi)辟了新的道路。

1 葉輪形狀分析

葉輪材質(zhì)為金屬，半徑約40 cm.葉輪型腔為曲面封閉而成的隧道狀，長(zhǎng)且深，兩頭又扁又寬，中間部位扭曲過(guò)度且變粗，直接測(cè)量其完整尺寸無(wú)法實(shí)現(xiàn)，任意方向都不具備拔模角度。葉輪形狀如圖1所示。

圖1 葉輪形狀

2 硅膠翻模

采用硅膠[1]作為填充物，并分為上下兩部分分別向葉輪型腔內(nèi)灌注硅膠。硅膠具有性能穩(wěn)定，操作方便的特性，脫模性良好，又有一定的彈性。首先將葉輪垂直放置，用工業(yè)油泥將邊緣封堵，并在型腔內(nèi)部均勻涂抹少量硅油作為脫模劑，然后將硅膠液與硬化劑以100∶3的比例快速攪拌，硬化劑的比例越大，硅膠的硬化速度越快，硫化后的硬度也越大[2]。攪拌均勻后快速倒入葉輪型腔中，到液面達(dá)到中部時(shí)停止，并將尼龍繩埋入硅膠內(nèi)，繩子打幾個(gè)節(jié)，防止拽出。留著繩子頭，為后續(xù)脫模提供受力。

靜置4 h后硅膠表面已經(jīng)硬化。在上表面均勻涂上硅油，防止粘連，而后旋轉(zhuǎn)葉輪，開(kāi)口向上，再次倒入按同比例調(diào)好的硅膠，埋入繩索。注入硅膠后的情形如圖2所示。

圖2 型腔內(nèi)注入硅膠

靜置24 h后，硅膠內(nèi)外均已充分硬化，此時(shí)用力分別把硅膠從葉輪型腔兩頭拔出，因?yàn)榉譃閮刹糠炙詷O大地減少了硅膠在脫模時(shí)的形變，減少了脫模力。雖然硅膠在拔出過(guò)程中有變形，但其自身的彈性作用，在靜置30 min后恢復(fù)原形，并且保持了葉輪型腔的形狀尺寸。拔出的硅膠模型如圖3所示。

圖3 拔出的硅膠模型

3 三維掃描

硅膠靜置30 min后基本不變化，然后讓其保持自然狀態(tài)，利用VTOP-300A三維掃描儀，分別對(duì)上下兩塊硅膠進(jìn)行三維掃描。

首先將硅膠表面殘余的硅油擦干凈，用剪刀剪掉繩子和硅膠邊緣毛邊，因?yàn)槠浔砻鏋槿榘咨槐貒娡匡@像劑，貼上直徑2 mm圓形標(biāo)記點(diǎn)。標(biāo)記點(diǎn)不規(guī)則貼，間距約5 cm左右，三維掃描儀幅面設(shè)為15 cm.在掃描時(shí)保證每幅點(diǎn)云有三個(gè)以上的搭接點(diǎn)。因?yàn)槿S掃描儀為非接觸式[3]，測(cè)量過(guò)程中不與硅膠接觸，不會(huì)使被測(cè)物受力形變。三維掃描儀的測(cè)量誤差為0.02～0.03 mm.多個(gè)角度掃描后獲得其點(diǎn)云數(shù)據(jù)。同樣的方法將另外一塊硅膠掃描并獲得點(diǎn)云。掃描的兩部分點(diǎn)云如圖4圖、5所示。

圖4 下半部分的點(diǎn)云

圖5 上半部分的點(diǎn)云

4 點(diǎn)云的拼接

兩塊點(diǎn)云有一個(gè)共同的面，利用這個(gè)共同的面上的特征，將兩個(gè)點(diǎn)云拼接在一起。

將兩部分點(diǎn)云都導(dǎo)入到Geomagic Studio軟件，在對(duì)齊模塊下點(diǎn)擊手動(dòng)注冊(cè)，兩個(gè)點(diǎn)云一個(gè)選擇固定，另外一個(gè)選擇浮動(dòng)，在重合的面上對(duì)應(yīng)的分別找4個(gè)點(diǎn)，兩個(gè)點(diǎn)云上的點(diǎn)必須一一對(duì)應(yīng)。點(diǎn)擊確定，兩個(gè)點(diǎn)云會(huì)自動(dòng)的拼接在一起。從而形成一個(gè)完整的型腔點(diǎn)云。將點(diǎn)云另存為.stl文件，以備后續(xù)調(diào)用。操作界面如圖6所示。

圖6Geomagic Studio軟件界面截圖

5 利用CATIA進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)

CATIA軟件中有一個(gè)逆向設(shè)計(jì)模塊名為Digitized shape editor，將點(diǎn)云導(dǎo)入后進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)[4、5]，設(shè)計(jì)誤差控制在0.1 mm以?xún)?nèi)。在此不再詳細(xì)論述。設(shè)計(jì)結(jié)果如圖7所示。

圖7 設(shè)計(jì)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于型腔測(cè)繪的零件，充分考慮其形狀特點(diǎn)，分多個(gè)方向進(jìn)行脫模，利用硅膠彈性好且易于脫模的特性，成功地對(duì)葉輪型腔進(jìn)行了翻模，再利用三維掃描儀對(duì)其進(jìn)行三維掃描提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。因?yàn)槭枪饨佑|測(cè)量，測(cè)量不會(huì)對(duì)硅膠產(chǎn)生變形，從而保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。脫模雖然有多個(gè)部分，但可以對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行拼接，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。此項(xiàng)目獲得圓滿成功，得到了客戶(hù)的高度贊賞，并為同類(lèi)產(chǎn)品的測(cè)繪開(kāi)辟了一條新的途徑。

[1]李婷婷，胡新嵩，陳靜華，雙組份室溫硫化硅橡膠的研究進(jìn)展[J].有機(jī)硅材料，2010，24（6）：391-393.

[2]李四紅，網(wǎng)玫瑰，吳德新，等.硅膠工藝品的制作研究[J].山東化工，2013，42（2）：26-28.

[3]袁聰聰，張志毅.基于平面標(biāo)靶的三維掃描與數(shù)據(jù)配準(zhǔn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2016，37（2）：487-491.

[4]楊艷紅，鐘相強(qiáng).工業(yè)設(shè)計(jì)中產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)方法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2013，30（2）：102-105.

[5]申如意.基于產(chǎn)品實(shí)物的逆向設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2016，197（4）：61-63.

The Application of Vulcanized Silicone Rubber Demould in Reversal Design

CUI Hai-long，LI Jin，ZHENG Jin-cai，LIU De-yong
（Tianjin Vision Sensitive Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300386，China）

Reversal design need to be done after object measurement but the impeller which we want to measure is a cavity composed of complex surface with small opening and deep structure，it is very hard for measuring.On the premise of no damage on the impeller，we use the silicone rubber demould technology to divide impeller cavity into two sections with lack of draft angle condition then do the silicone molding，we 3D scan the silicone molding，and use geomagic software to fit the two part point clouds together，and the final impeller cavity reversal design will be done.

impeller cavity；3D scan；reversal design；vulcanized silicone rubber demould；point clouds

TH132

A

1672-545X（2017）03-0248-03

2016-12-15

崔海龍（1984-），男，河北唐山人，本科，主要從事三維掃描和逆向設(shè)計(jì)工作。