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基于Moldflow和Geomagic Qualify探讨CAE和CAI的集成应用

基于Moldflow和Geomagic Qualify探讨CAE和CAI的集成应用 2011年12月12日 来源： 注塑成型CAE分析和CAI检测在塑料制品的产品设计与制造中应用越来越广泛，但两者之间缺乏相联系的纽带。一方面，CAE分析的结果得不到有效的利用和评价；另一方面，单纯的CAI检测不能够分析导致产品变形的原因。本文为弥补CAE和CAI各自的缺陷，建立了CAE与CAI的集成方法，确保两者之间的信息共享。通过集成方法，探讨了对模拟变形结果的3D比较、2D比较、公差分析和方案比较等方面的应用，并且通过实例进行了说明。一、引言计算机辅助工程（CA E）在塑料产品开发、模具设计及产品加工中的应用越来越广泛。它通过模拟塑料制品的成型过程，辅助产品工程师、模具工程师和工艺工程师设计出制造性能好的产品、精确高效的模具，指导工艺师正确设定生产工艺参数。计算机辅助检测（CAI）利用三维或二维测量设备，结合计算机软件数据处理系统，对产品的尺寸公差进行检测，大大提高了测量的准确性和效率。虽然计算机辅助工程和计算机辅助检测应用系统在各自的领域都日臻成熟，但是，这两个应用系统的偏重性和局限性使得它们的潜在应用得不到发挥，使得产品设计和制造过程还存在许多盲区。例如，对CAE分析变形结果的评价没有有效的工具和统一的标准。随着信息技术的迅速发展和并行设计理念的提出，对这两个应用系统之间能够实现信息共享与交换的要求更加迫切。CAE在注塑成型领域最常用的软件是Moldflow。利用Moldflow可以在制品设计和制造过程中预测注塑制品的变形，分析导致变形的原因。Geomagic Qualify是一种应用广泛的计算机辅助检测软件。利用Geomagic Qualify可以对产品进行3D和2D的测量和比较，对产品进行公差检验，检验人员、技术人员和设计工程师可以快速简单地检测与报告在设计及制造过程中的任何尺寸品质问题，最终简化产品检验的作业流程。Moldflow和Geomagic Qualify分别是CAE软件和CAI软件的的代表。本文在介绍Moldflow和Geomagic Qualify基本功能和应用的基础上，分析了这两个软件的局限性，探讨了这两个软件的集成方法和应用，以解决模拟工程师、测量工程师、产品工程师和模具工程师面临的问题，并以实例说明集成化的过程和应用方法。二、Moldflow的变形分析功能Moldflow的MPI（Moldflow plastic Insight）产品具有翘曲分析模块Warp。MPI/Warp可使设计人员在加工模具之前，预测最终零件形状。利用Warp模块，用户能够预测出变形的区域及变形情况，并且分析在注塑成型过程中塑料零件收缩和翘曲的原因。这些原因包括冷却不均匀、收缩不均匀和分子取向不一致。其结果可使用户在模具制造之前优化设计，选择适当的材料和工艺参数来控制零件翘曲。设计人员可以为塑料制品设计、模具设计和注塑加工成型提供富有创新和效益的解决方案。MPI/Warp的基本功能包括：1)评价单模穴和多模穴模具；2)按比例显示收缩和翘曲结果，以便更好查看变形；3)查看任意两点位置，以便确定这两点间的尺寸变化；4)将零件放在同一平面内，以便更方便地测量变形；5)将整个位移分解成X 、Y 、Z 三个方向上的位移，以及显示每个方向上的位移；6)用位移图、云图和阴影图来显示收缩和翘曲；7)以S T L格式输出翘曲几何尺寸，作为模具设计时的参考；8)输出变形网格模型，用作迭代的翘曲分析。利用Moldflow的目标是通过对产品设计和模具设计进行可行性研究，使得一次试模成功，获得合格的产品，保证产品设计具有工程意义。虽然Moldflow可以得出丰富的产品变形结果，但模拟工程师往往面对这些结果感到无所适从，因为Moldflow只有简单定义基准的方法，往往不能够按照产品设计的要求定义基准，各个设计方案也没有统一的测量基准。即使产品CAD有明确的尺寸公差定义，Moldflow也难以直接应用，因为Warp模块只有简单的基准定义和尺寸测量工具，缺乏面向产品公差定义的测量工具。对产品变形的平面度、圆柱度等公差的测量，Moldflow没有相应的工具，分析人员只能根据经验手动测量，测量结果受人为因素的影响很大。模拟工程师在分析变形结果时，没有统一的标准和方法，使得方案之间的对比缺乏一致性和可比性，所以，分析和评价往往得不到可靠的结论。三、Geomagic Qualify的功能Geomagic Qualify建立了CAD与CAM之间所缺乏的重要联系纽带，从而实现了完全数字化的测量环境。允许在CAD模型与实际构造部件之间进行快速、明了的图形比较，可加快流程速度，深入分析并确保可重复性的自动检验软件。Geomagic Qualify可用于首件检验、线上检验或车间检验、趋势分析、2D和3D几何测量、特征比较以及自动报告等。Geomagic Qualify可以创建多种基准和特征，例如平面、轴、点、线目标和点目标、孔、槽、矩形、圆角矩形、边界线、从参考模型自动创建基准和特征。Geomagic Qualify有多种对齐方式：基于基准和特征的对齐方式、RPS（参考点系统）、3-2-1对齐、最佳拟合和手动对齐等。它能够对产品进行3D分析，得出偏差彩色图、结果显示为映射模型或色点偏差、带有柱状图的可完全自定义的色谱、失败（通过/未通过）分析和报告、偏差和文本评注；2D分析可以得出偏差线体图、边界边缘和回弹分析、2D剖面尺寸标注、2D叶片尺寸标注和扭曲分析。另外，Geomagic Qualify还可以进行平直度、平行度、垂直度、角度、圆柱度、位置、表面轮廓和总偏心率的GD&T测定及特征比较。使用Geomagic Qualify的优点为：1)显著节约了时间和资金：可以在数小时（而不是原来的数周）内完成检验和校准，因而极大地缩短了产品开发周期；2)改进了流程控制：可以在内部进行质量控制，而不必受限于第三方；3)提高了效率：Geomagic Qualify是一种为设计人员提供的易用、直观的工具，设计人员不再需要分析报告表格，也不必将2D数据转换为3D CAD模型；4)改善了沟通：自动生成适用于Web的报告，改进了制造过程中各部门之间的沟通；5 ) 提高了精确性： Geomagic Qualify允许用户检查由好几万个点定义的面的质量，而定义CMM面的点可能只有五到十个；6)使SPC自动化：针对多个样本进行自动统计流程控制，可深入分析制造流程中的偏差趋向，并且用来验证多穴模具容量的偏差趋向。虽然利用Qualify软件可以有效评估产品的质量公差，但是我们难以找出导致变形的原因，产品工程师往往面对测量报告，不能够得知问题的所在。四、Moldflow与GeomagicQualify的集成鉴于Moldflow和Geomagic Qualify各自的优点和缺陷，我们将两者有效地结合在一起，建立集成分析方法，使得分析和检测更加有效。Moldflow和Geomagic Qualify均接受的数据格式为stl和igs，为此，我们将这两种数据格式作为接口，实现两个软件系统之间的数据共享。CAE系统与CAI系统的集成示意图如图1所示。

图1 集成示意图

从CAE的分析中，我们可以得出产品的变形趋势和变形程度，也可以分析导致变形的原因，并且可以对变形结果进行简单的比较。CAE的分析结果，通过stl和igs等数据接口，导入到CAI软件中，进行产品变形的测量和评估。我们可以利用CAI软件的工具，进行变形结果与产品设计的3D比较、2D比较、公差分析以及各个方案之间的比较。利用3D比较，我们可以分析产品变形相对于产品CAD模型的偏离程度以及产品的变形趋势。利用2D比较，我们可以分析产品某个截面内变形相对于产品CAD模型的偏离程度和数值。我们也可以对产品定义的平面度、圆柱度、垂直度、轮廓度等公差进行分析和评价。由不同的模具设计或工艺条件产生不同的产品变形，我们可以利用CAI对各个方案进行比较，从而优选一种设计方案。下面， 我们通过一个实例阐述CAI软件Geomagic Qualify与CAE软件Moldflow的集成应用。我们对一个环形塑料产品进行分析。这个产品对上表面的平面度和环形的轮廓度要求很大。我们首先在给定的模具结构和设定的工艺条件下利用Moldflow进行变形分析。图2显示的是Moldflow分析得出的产品变形情况。其中透明的线框表示产品的3D模型，带颜色的形状表示产品的变形情况。通过与产品设计3D模型的对比，我们可以看出产品的变形趋势和变形程度。虽然Moldflow给出了环形产品的变形情况，但是我们很难根据产品的质量要求对上表面的平面度和环形侧面的轮廓度进行检验。因此我们将变形结果导入到Geomagic Qualify中进行进一步分析和评价。由于Moldflow和GeomagicQualify共同接受的文件格式是s t l，因此我们将s t l格式选定为导出和导入的文件格式。

图2 Moldflow分析的产品变形

经过GeomagicQualify的3D比较，我们得出如图3所示的3D比较偏差结果。图中正值对应红色，表示变形凸出产品CAD模型；负值对应蓝色，表示变形凹进产品CAD模型。从图中的颜色我们可以看出产品变形相对应产品设计3D的偏离程度。

图3 Geomagic Qualify的3D比较

我们定义上表面的平面度为0.050mm，内环形面的面轮廓度为0.050mm。通过Geomagic Qualify的公差分析，如图4所示，我们得出上表面的平面度为0.190m m，没有满足公差要求；内环形面的面轮廓度为0.164m m，也没有满足定义的公差要求。由此，我们得出这个变形不能满足产品公差要求的结论。

图4 Geomagic Qualify的GD&T形位公差

我们定义上表面的平面度为0.050mm，内环形面的面轮廓度为0.050mm。通过Geomagic Qualify的公差分析，如图4所示，我们得出上表面的平面度为0.190mm，没有满足公差要求；内环形面的面轮廓度为0.164mm，也没有满足定义的公差要求。由此，我们得出这个变形不能满足产品公差要求的结论。我们进一步对产品的内径和外径进行分析，如图5所示的D1表示外径尺寸，D2表示内径尺寸。测得的结果如表所示。从表可以看出，我们所测截面的外径和内径是满足公差要求的。我们也可以选择不同的截面进行分析，评估变形尺寸对公差的满足情况。

图5 尺寸测量

从以上的测量分析中，我们可以得出这个产品的形位公差不满足要求，但截面尺寸公差可以通过。

表 尺寸测量结果

五、总结与展望本文探讨了Moldflow与Geomagic Qualify的集成方法，并将两者的优势结合起来。既保证了Moldflow的预见性和分析性，又融入了Geomagic Qualify检测的科学性和可靠性。通过CAE和CAI的集成，加快了流程速度，而且可深入分析并确保可重复性的自动检验。早期介入，避免事后弥补，以降低开模的风险。将测量和分析融合在一起，模拟实际测量过程，对制品进行合理的质量公差检验，解决了Moldflow变形结果测量的瓶颈。Geomagic Qualify与CAD的测量要求匹配，避免测量过程中人为因素的影响，减小对测量经验的依赖，提供更加广泛的测量结果。通过标准化的比较和分析，可以统一分析基准，使得各个方案之间具有可比性。利用自动生成报告，可以方便不同方案的对比。由此，这种集成方法可以缩短测量时间，提高测量质量，便于应用。从根本上解决了CAE和CAI之间的数据交流和“信息孤岛”现象，建立了测量部门和分析部门之间的合作纽带。CAE和CAI虽然在各自的领域内极大地促进了生产力的发展，推动了科技进步，但随着科技和计算机技术的进一步发展，这种单一系统已经不能满足需要，从而使CAE、CAI一体化技术成为科技界的热门研究课题。CAE/CAI集成应用系统是CAE和CAI技术发展到一定程度的必然产物，反映了现代设计与制造的发展趋势。(end)

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