注塑机螺杆的逆向重构技术研究_潘俊兵.pdf

信息技术潘俊兵，等注塑机螺杆的逆向重构技术研究基金项目:2019 年陕西高等教育教学改革研究重点项目(19GZ012);陕西省国家双高计划建设学校思政课题(SGKCSZ2020827);陕西高等教育教学改革研究项目(17GY014)第一作者简介:潘俊兵(1992)，男，甘肃天水人，博士研究生，研究方向为机械设计与智能制造。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301040注塑机螺杆的逆向重构技术研究潘俊兵1，鲁腾飞2，李俊涛1，乔女1，徐家忠1，宁栋3(1 陕西国防工业职业技术学院 智能制造学院，陕西 西安 710300;2 陕西汉来达智能装备科技有限公司，陕西 西安 710048;3 西安近现代化学研究所，陕西 西安 710065)摘要:针对注塑机螺杆结构复杂、形状精度要求高、优化设计周期长等问题，运用逆向建模方法，利用 Win3D 型三维扫描仪及 Geomagic Wrap 软件采集该注塑机螺杆的点云数据，将其封装为曲面，导入逆向建模软件 Geomagic Design X 中，高精度创建其三维数字化模型，为注塑机螺杆的优化设计提供高精度模型。经误差分析软件 Geomagic Control 的检测，注塑机螺杆的逆向模型误差不超过 002 mm，满足工业设计要求。关键词:反求工程;逆向设计;优化设计;注塑机中图分类号:TG659，TP3919文献标志码:A文章编号:1671-5276(2023)01-0163-03esearch on everse econstruction Technology of Injection Molding Machine ScrewPAN Junbing1，LU Tengfei2，LI Juntao1，QIAO Nyu1，XU Jiazhong1，NING Dong3(1 Institute of Intelligent Manufacturing，Shaanxi Institute of Technology，Xian 710300，China;2 Shaanxi Hanlaida Intelligent Equipment Technology Co，Ltd，Xian 710048，China;3 Xian Modern Chemistry esearch Institute，Xian 710065，China)Abstract:In view of the complicated structure of the injection molding machine screw，its shape of high accuracy requirements andlong cycle of optimization design，by reverse modeling method and with the Win3D threedimensional scanner and Geomagic Wrapsoftware，the point cloud data of the screw of the injection molding machine is collected，encapsulated into a curved surface andimported into the reverse modeling software Geomagic Design X to create its 3D digital model with high precision and provide highprecision model for the optimized design of the injection molding machine screw The error analysis software Geomagic Controlshows that the error of the reverse model of the injection molding machine screw does not exceed 002 mm，which meets the needsof the industryKeywords:reverse engineering;reverse design;optimization design;injection molding machine0引言注塑机是模具发展的重要推动机具，注塑螺杆的传动精度直接影响注塑机的性能13。然而注塑螺杆结构复杂，优化设计费时费力，效率低，不利于正向创新设计。近年来，我国在机械工业领域取得了长足的进步，计算机技术不断融入工业领域，机械设计也不再以传统的正向设计为主，逐渐进入以逆向设计为主46。逆向设计具有研发成本低、设计周期短的特点。尤其对于复杂零件，逆向设计具有独特的优势，已被广泛应用于航空、汽车、电器、摩托车等产品的优化与创新设计79 以及相关零件的修复。逆向设计逐渐进化为消化、吸收先进技术的重要手段1011。本文运用上述技术，针对注塑机螺杆的重构技术展开研究，为提升注塑机的整体性能提供技术支持。1逆向设计的基本流程逆向工程是将物体转化为数字化模型的专业技术，是新型产品设计的重要手段，尤其对于不规则零件。因此，近年来得到了快速发展12。逆向设计的流程如图 1 所示。该方法结合了正、逆向设计的优势，是一种新型建模手段，可有效解决异形结构零件建模困难的问题。2注塑机螺杆的逆向设计方法21研究对象及设备注塑机螺杆是注塑机的关键部件(图 2)，用于传递位移。提高螺杆的形状精度，有利于提高注塑机的整体性能。本文以某注塑机螺杆作为研究对象，运用逆向设计技361信息技术潘俊兵，等注塑机螺杆的逆向重构技术研究术，高精度创建其数字化模型，可为优化设计提供模型保障，从而缩短螺杆的优化周期。此过程中主要使用的软硬件设备有 Win3D 型三维激光扫描仪、Geomagic Wrap 点云处理软件及 Geomagic Design X 逆向建模软件等。图 1逆向设计的基本流程图图 2注塑机螺杆22逆向建模方法1)总体思路首先，用激光扫描仪采集注塑机螺杆表面的点云数据。由于螺杆长度超出了激光扫描仪的作业范围，故进行分段扫描，而后进行点云组合;其次，对点云数据进行修正处理，并以适当的算法合成光滑曲面;最后，对该曲面进行拟合，完成注塑机螺杆的高精度三维模型。2)扫描准备激光扫描仪是点云采集的主要设备，其工作原理是利用光栅相位移测量技术，将光栅条纹投射到螺杆表面，光栅条纹的幅度和相位被调制，利用计算机采集调制后的条纹信号，获得螺杆表面点云数据13。测量设备为 Win3D型三维扫描仪，扫描距离为 600mm，单幅扫描时间3s，扫描误差需调至 003 mm 以下，以满足注塑机螺杆的精度要求(图 3)。具体操作过程为:启动 Win3D 型扫描仪和Geomagic Wrap 点云采集软件，点击 Geomagic Wrap 软件中的“扫描、标定切换”按钮，进入软件标定界面。通过调整相机参数中的曝光、增益与对比度等参数来调整扫描仪的采集亮度，以便获得高质量的成像。通过调整 Win3D型三维扫描仪的高度及俯仰角，使黑、白色两个十字所代表的坐标系尽可能重合，从而实现扫描仪的精度标定。3)点云数据采集点云数据采集是指通过激光扫描仪获取待测件表面的点云数据14。点云的完整性、准确性及光顺程度都会影响逆向重构模型的精度15。本文选用的 Win3D 型三维激光扫描仪具有操作简便、精度较高的特点，扫描现场如图 4 所示。在仪器装调完成后，将均匀喷涂显像剂的注塑机螺杆模型置于标定盘上。由于注塑机螺杆的长度超出了激光扫描仪的扫描范围，因此采用分段扫描、再拼接的方法，以获得精度高、完整性优的点云数据。图 3Win3D 型扫描仪的精度标定图 4注塑机螺杆点云数据扫描现场4)点云处理注塑机螺杆的点云采集后，需进行优化处理，为逆向建模提供高质量数据。处理流程如图 5 所示，首先移除注塑机螺杆各段的噪点，得到螺杆的分段点云，而后依次拼接各段点云，获得注塑机螺杆的整体点云数据，将其封装形成相应的曲面文件。此过程采用最小二乘法进行点云降噪，如式(1)所示。该算法通过选择合适的区域，为点云区域建立合理的边界条件，以达到最佳的降噪效果。由于数据缺陷等原因，封装后的点云数据存在网格表面粗糙、表面质量差等问题。为了获得高精度的逆向模型，需对螺杆的点云曲面进行曲面修复，如孔洞修补、曲面光滑等处理操作，得到较为光滑的注塑机螺杆片体模型，并保存为*stl 格式，导入 Geomagic Design X 软件中进行逆向参数化建模。a=y bxb=ni=1xiyi nxyni=1x2i nx2(1)461信息技术潘俊兵，等注塑机螺杆的逆向重构技术研究图 5注塑机螺杆点云处理流程5)逆向建模与误差分析将注塑机螺杆的片体*stl 格式文件导入 GeomagicDesign X 后，根据注塑螺杆的结构，可按照先进行螺杆基体建模，再进行螺纹结构建模，最后按二者布尔合成的思路进行逆向建模。至此，需分析该螺杆的基体直径和螺距分布，操作方法如图 6(a)所示。根据螺杆结构，将片体文件划分为 18 段，分段测量直径和螺距，测量结果如图 6(b)所示。由图 6(b)可知，螺杆直径前 14 段分布均匀，均值为 2176 mm;1418 段直径线性增大，增长率为 129。同时可知，螺距均值为 3599 mm，变异系数为 076%。图 6注塑机螺杆点云封装数据中直径螺距测量根据测量结果，按图 7 所示步骤，在逆向建模软件Geomagic Design X 绘制螺杆基体，在三维建模软件 NX12中绘制螺纹特征，并导入 Geomagic Design X 中与螺杆基体进行布尔运算，获得注塑机螺杆的三维数字化模型。逆向建模完成后，需进行误差检查，只有在误差许可范围内才是合格模型。运用 Geomagic Control 误差分析软件，对注塑机螺杆逆向模型进行检测，如图 8 所示。测得体误差002 mm，且 96%的误差处于0001100011 mm之间，精度较高，满足工程需求。该逆向模型可作为注塑机螺杆的三维模型用于数字化优化设计与制造，对于提高注塑机精度的研究具有重要意义。图 7注塑机螺杆参数化建模图 8注塑机螺杆误差云图(下转第 214 页)561电气与自动化何兆磊，等基于多源参数融合的配变台区状态估计参考文献:1陈宏，上官霞，郑钟，等 基于营配数据融合的配电网运行状态评估的研究 J 国外电子测量技术，2019，38(4):111-115 2刘道伟，李柏青，邵广惠，等 基于大数据及人工智能的大电网智能调控系统框架 J 电力信息与通信技术，2019，17(3):14-213 LIH，WANGX D，GAO Y J，et al Evaluation research of theenergy supply system in multienergy complementary park basedon the improved universal generating function method J EnergyConversion and Management，2018，174:955-970 4黎值源，林德山，祁永福 基于电网设备运行健康状态实时监控评估技术研究 J 通信电源技术，2019，36(1):154-155 5AYVAZOGLUYKSEL，FILIKB Estimation methods of globalsolar radiation，cell temperature and solar power forecasting:areview and casestudy in eskiehir J enew able andSustainable Energy eviews，2018，91:639-653 6陈国华，吴涛 基于设备状态与调度运行的电网风险评估方