徐晗 韓文 吳南星

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333403）

陶瓷石膏模具的快速成型系統(tǒng)研究

徐晗 韓文 吳南星

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333403）

為了改變傳統(tǒng)陶瓷石膏模具開(kāi)發(fā)的落后現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)出了一套陶瓷石膏模具快速成型系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)以CAD/CAM技術(shù)為核心，融合了反求工程技術(shù)和快速原型制造技術(shù)，滿足了陶瓷石膏模具快速開(kāi)發(fā)的要求，使得設(shè)計(jì)制造過(guò)程更加數(shù)字化、規(guī)范化。

陶瓷，石膏模具，CAD，反求工程，CAM

1 引言

石膏模具是最早的也是使用最廣泛的一類(lèi)模具，目前仍然廣泛應(yīng)用于注漿、滾壓、旋壓等成形工藝中，是陶瓷行業(yè)不可缺少的輔助材料。

傳統(tǒng)的石膏模型制造過(guò)程為：先制造“型”又稱(chēng)胎），由“型”翻制成種模（又稱(chēng)為原始模，或胎模），再將種模的每一模片分別制成一個(gè)模，稱(chēng)為母模。再以石膏從母模中澆注成大量生產(chǎn)用的工作模。石膏模型制造過(guò)程可見(jiàn)圖1所示。

傳統(tǒng)陶瓷石膏模具設(shè)計(jì)制造過(guò)程漫長(zhǎng)且復(fù)雜，無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。為了改變傳統(tǒng)陶瓷石膏模具開(kāi)發(fā)的落后現(xiàn)狀，有必要將先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用于陶瓷行業(yè)，開(kāi)發(fā)出全新的陶瓷石膏模具設(shè)計(jì)制造工藝，以滿足陶瓷石膏模具快速開(kāi)發(fā)的要求，使設(shè)計(jì)制造過(guò)程更加數(shù)字化、規(guī)范化。

為此，本課題選擇陶瓷石膏模具的快速成型系統(tǒng)作為研究對(duì)象，從CAD/CAM技術(shù)，反求工程技術(shù)、快速原型制造技術(shù)等方面對(duì)陶瓷石膏模具的設(shè)計(jì)制造工藝進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)以及三維掃描技術(shù)獲得陶瓷模具的三維數(shù)字模型，然后通過(guò)對(duì)該三維數(shù)字模型的處理生成數(shù)控加工程序，將該程序輸入數(shù)控加工設(shè)備對(duì)石膏進(jìn)行數(shù)控加工，便得到所需要的陶瓷石膏模具。陶瓷石膏模具的

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造過(guò)程見(jiàn)圖2所示。

2 陶瓷石膏模具CAD技術(shù)的研究

利用CAD系統(tǒng)軟件進(jìn)行產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)，其中三維造型設(shè)計(jì)是數(shù)字化產(chǎn)品的真實(shí)形狀設(shè)計(jì)，它完全表達(dá)了產(chǎn)品,能夠進(jìn)一步為模具設(shè)計(jì)、分析和加工提供必要的數(shù)學(xué)模型。

本研究所使用的三維建模軟件為UG NX5.0軟件，UG NX是一款功能強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)軟件，主要用于汽車(chē)和機(jī)械行業(yè)，在航空領(lǐng)域也有部分企業(yè)在使用。相似軟件還有catia、proe等。UG NX包含了世界上最強(qiáng)大、最廣泛的產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊，具有高性能的機(jī)械設(shè)計(jì)和制圖功能，為制造設(shè)計(jì)提供了高性能和靈活性，以滿足客戶設(shè)計(jì)任何復(fù)雜產(chǎn)品的需要。本研究所建立的數(shù)據(jù)庫(kù)中絕大多數(shù)模型都是由UG NX5. 0軟件直接進(jìn)行三維建模，少部分是通過(guò)三維掃描技術(shù)獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入U(xiǎn)G NX5.0中進(jìn)行編輯等操作，從而獲得所需要的三維數(shù)字模型。

3 陶瓷石膏模具反求工程技術(shù)的研究

反求工程(Reverse Engineering,RE),也稱(chēng)逆向工程、反向工程,是指用一定的測(cè)量手段對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行測(cè)量,根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)三維幾何建模方法重構(gòu)實(shí)物的CAD模型的過(guò)程,是一個(gè)從樣品生成產(chǎn)品數(shù)字化信息模型,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)的全過(guò)程。

在石膏模型制作中，利用實(shí)物測(cè)量進(jìn)行快速反求建模，是產(chǎn)品仿型基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品修改設(shè)計(jì)的重要技術(shù)。其基本原理是通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或激光測(cè)量機(jī)對(duì)實(shí)物進(jìn)行掃描測(cè)量，把測(cè)量所獲得的數(shù)字化的大量數(shù)據(jù)點(diǎn)送入高級(jí)CAD軟件的反求模塊或?qū)Ｓ玫姆辞筌浖?，反求軟件可直接讀取點(diǎn)數(shù)據(jù)群,并可對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)群進(jìn)行編輯、過(guò)濾、整理、求精、排序、局部修改與重組,然后自動(dòng)生成曲面，最終獲得同實(shí)物精確一致的或經(jīng)改造的電腦產(chǎn)品模型。這一方式可極大地提高新產(chǎn)品設(shè)計(jì)速度。

本研究采用的掃描測(cè)量設(shè)備是拍照式三維掃描儀，如圖3所示。其結(jié)構(gòu)主要由光柵投影設(shè)備及兩個(gè)工業(yè)級(jí)的CCD照相機(jī)所構(gòu)成，由光柵投影在待測(cè)物上，并加以粗細(xì)變化及位移，配合CCD相機(jī)將所擷取的數(shù)字影像通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理，即可得知待測(cè)物的實(shí)際3D外型。拍照式三維掃描儀采用非接觸白光技術(shù)，避免對(duì)物體表面的接觸，可以測(cè)量各種材料的模型，測(cè)量過(guò)程中被測(cè)物體可以任意翻轉(zhuǎn)和移動(dòng),對(duì)物件進(jìn)行多個(gè)視角的測(cè)量，系統(tǒng)進(jìn)行全自動(dòng)拼接，輕松實(shí)現(xiàn)物體360高精度測(cè)量。并且能夠在獲取表面三維數(shù)據(jù)的同時(shí)，迅速的獲取紋理信息，得到逼真的物體外形，能快速的應(yīng)用于陶瓷石膏模具制造行業(yè)的掃描。

利用該掃描儀對(duì)佛像進(jìn)行了三維掃描，得到了此塑像的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入到UGNX軟件中如圖4所示，對(duì)其進(jìn)行編輯等操作，便獲得了此佛像的三維數(shù)字模型，如圖5所示。

4 陶瓷石膏模具CAM技術(shù)的研究

CAM即計(jì)算機(jī)輔助制造，是利用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備管理控制和操作的過(guò)程。它輸入信息是零件的工藝路線和工序內(nèi)容，輸出信息是刀具加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡(刀位文件)和數(shù)控程序。將CAM技術(shù)用于陶瓷石膏模具的快速成型，是對(duì)已得到的三維數(shù)字模型進(jìn)行CNC編程，得到用于加工的NC代碼文件，輸入數(shù)控雕刻機(jī)對(duì)石膏進(jìn)行快速雕刻成型。

本研究對(duì)浮雕花瓶和佛像的CAD模型進(jìn)行刀路編輯，即包括刀具和加工路徑的選擇，相關(guān)工藝參數(shù)的確定，以及毛坯的制作等。通過(guò)UG NX軟件自動(dòng)生成加工路徑，即刀路文件，如圖6所示。然后進(jìn)行模擬加工，如圖7所示。模擬加工無(wú)誤后便可將刀路文件借助專(zhuān)用的后處理程序生成用于數(shù)控雕刻機(jī)加工的NC代碼文件，最后加工出需要的石膏模具，如圖8所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

在研究中發(fā)現(xiàn)陶瓷石膏模具不同于金屬模具，根據(jù)陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，針對(duì)在產(chǎn)品生成過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析，并相應(yīng)地處理，如陶瓷坯體干燥和燒成后都會(huì)有收縮現(xiàn)象，因此對(duì)石膏模具應(yīng)按比例預(yù)先放大。所以需要考慮到研究石膏模型的縮放率及其在各個(gè)方向的變化，在確保外觀質(zhì)量的前提下進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，使之有利于模具的后續(xù)加工。

該系統(tǒng)能夠?qū)μ沾墒嗄＞叩姆N模進(jìn)行三維建模，并數(shù)控編程，獲得數(shù)控加工程序，輸入數(shù)控設(shè)備，并最終加工出了符合要求的石膏模具，對(duì)石膏模具的快速加工具有重要意義。將產(chǎn)品數(shù)字化是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，產(chǎn)品數(shù)字化能夠大大加快產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)速度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此該系統(tǒng)在陶瓷模具領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益前景。

1吳磊.UGNX4.0中文版曲面設(shè)計(jì)典型范例教程.北京:電子工業(yè)出版社,2006

2楊勝群,唐秀梅.UGNX4數(shù)控加工高級(jí)教程.北京:清華大學(xué)出版社,2007

3馮立靜,張國(guó)友.逆向工程在曲面反求建模中的應(yīng)用.氣動(dòng)研究與實(shí),2010,(1):7～11

4徐晗,羅良玲.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控陶瓷雕刻機(jī)的研究與開(kāi)發(fā).中國(guó)陶瓷,2007,43(12):44～45

5程俊廷,張樹(shù)林,韓明等.反求工程在快速成型中的應(yīng)用.精密制造與自動(dòng)化,2003,(1):20～21

Abstract

IIn order to change the backwardness of traditional ceramic plaster mold design and manufacture,a rapid prototyping system for ceramic plaster mold has been developed.The system uses CAD/CAM technology as the core,and integrates reverse engineering technology and rapid prototyping technology to meet the requirements for rapid development of ceramic plaster molds,thus making design and manufacturing process more digital and standard.

Keywords ceramics,plaster mold,CAD,reverse engineering,CAM

RAPID PROTOTYPING SYSTEM FOR CERAMIC PLASTER MOLDS

Xu Han Han Wen Wu Nanxing
(Mechnical and Electronics School,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen Jiangxi 333403,China)

TQ174.6

A

1000-2278（2010）04-0607-04

2010-06-11

徐晗，E-mail:xuhan1982@163.com