攝像頭精密塑模數字化設計與優化技術探究

胥海均

（深圳納百鑫光學有限公司 廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著我國工業化進程的推進，塑料制品的應用越來越廣泛，要求也越來越多。但塑料制品需要通過注塑模具才能實現量產，因此，必須提高注塑模具的精密程度才能制造出優質的產品來。近年來，我國模具加工行業也在快速發展，精密注塑模具也逐步實現過程化，同普通的模具相比，精密注塑模具具有精度高、質量穩定以及壽命長的特點，所制品的精度也非常高，滿足了現代制造企業的需求。隨著行業競爭的加劇，模具加工企業需要朝著更高精度、更低成本、更短加工周期的方向發展，此時僅靠傳統的加工工藝已經難以滿足要求，需要引入基于數字化的模具設計和優化，才能實現精密注塑模具的高效與高質量的生產[1]。

1 傳統精密注塑模具制造工藝流程

傳統精密注塑模具的制造工藝流程見圖1。

首先，由設計部門人員基于CAD 軟件進行模具的設計，然后將評審合格的模具設計圖紙轉交給CAM 部門，再來進行模具加工工藝的制定，并編寫數控加工（NC）的程序以及電火花的加工程序；所有準備完成以后，將圖紙下發至現場，并將加工程序導入到加工中心中進行模具的加工；模具加工完成以后，需要由質檢員借助三坐標測量儀對模具加工尺寸、電極的位置、發電的間隙3 個參數進行確認，確認無誤后將模具及檢測數據轉移至EDM 程序進行放電處理，作業人員根據QC 測定的數據進行參數調整，需要對電極的偏心情況進行補償，并準確輸入放電間隙，防止損壞型腔；放電完成以后，一副注塑模具就已加工完成，然后需要進行試裝備試模。

傳統加工過程的精密性主要體現在精密測繪、精密加工、精密測量以及精密放電幾個方面。首先是對客戶的樣品進行精密測繪，輸出高精度的圖紙；然后加工中心的加工精度必須要高，既包括了型腔的精度也包括了電極的精度，為后續發電的精度保證奠定基礎。其次是需要精密的測量，對電極的加工偏移量以及放電位置的加工間隙進行測量，這一工序對精密塑模的加工有著重要意義，尤其是針對偏移量，其將作為放電加工補償的依據所在。到EDM工序時，精確輸入QC 所測數據是保證注塑模具加工精度的基礎。然后，各工序之間是獨立運行的，其數據格式也各不相同，數據共享的難度系數較大，造成數據不同步。同時，由于電極的數目眾多，無法做到全檢，因此，目前多采用抽檢的形式，以樣本代替總體的方法進行補償，因此會造成部分模具的效果不佳。為了提高精密性，最直接的方法就是進行全檢，但需要耗費大量的人力、物力和財力。此外，樣品的測繪精度受到人員、環境等因素的干擾，精度波動性也非常大，而數字化設計制造技術則是解決上述問題的最好方法。

2 精密塑模數字化設計與優化技術

2.1 塑件的數字化模型重建

2.1.1 逆向工程技術

逆向工程技術也被稱為反求的工程，其是基于數字化測量儀器，準確地構建出產品的坐標，通過進一步的修訂和校核并結合產品的技術規格、用途以及功能等參數，最終構建出一個精確的數字化模型的技術[2]，該技術一方面可以對產品進行尺寸測量，另一方面也可以實現對產品設計的改進，可以大大縮短產品的研發周期，同時也大大提高生產效率。目前，有兩款常用的逆向工程軟件，其一是Geomagic Studo，其最大優勢是可以通過精準掃描生成任意的零部件的數字模型；其二是CATIA，因其具有數字化的曲面編輯器和快速曲面模塊而應用更為廣泛，基于這兩個模塊，可以生成更精準的曲線。

2.1.2 數據采集技術

對于細節多、特征多、體積小的零部件，僅僅依靠三坐標測量儀來測量，數據極易出現偏差，導致產品圖紙偏差較大，對于后續精密注塑模具的設計帶來不便。為了提高精度，可以采用手持式激光掃描儀進行數據采集，見圖2。目前，應用最廣泛且精度最高的為加拿大生產的REVSCAN型儀器，其原理是將激光照射到零件上，然后借助CCD 來接受漫射光，然后根據成像原理形成三維坐標，其精度可控化在0.05 mm 以內。

2.1.3 數據處理技術

肝癌為臨床常見惡性腫瘤,發病隱匿,多數患者出現臨床癥狀時已為晚期,5年存活率<10%。因此,肝癌早期診斷具有重要意義,甲胎蛋白(AFP)為臨床診斷肝癌的常見血清腫瘤標記物,但其敏感性約39%~64%,特異性約為76%~91%,易出現誤診、漏診情況,給臨床診斷和治療帶來不便[1]。研究指出[2],肝癌組織因各因素導致PIVKA-II釋放入血,但其作用機制尚未完全明確。

將掃描的初步數據導入Geomagic studio 軟件中，將所獲取的點云全部轉換成面片，然后通過折角的方式將無用的點云刪除，從而使零件的曲面光滑。然后再通過填補、松弛、拉伸等技術操作后，可以得到一個平滑完整的數據模型。將模型擺至標準三維坐標中，形成標準坐標下的片體數據。然后基于CATIA 軟件，將這些片體進行曲面的重構，通過曲面擬合、曲面修剪的縫合、曲面精度的校核，最終得到實體模型[3]。

2.2 模具方案數字化設計

模具方案設計著重在產品的分析、分型面及模仁設計、澆筑系統設計、冷卻系統設計、脫模機構等5 個方面。

2.2.1 產品分析

由于產品的類別眾多，特征也很復雜，而且其要求也各不盡相同，因此，在進行模具設計之前，必須對產品進行全面分析，分析要點包括產品尺寸、產品體積、產品拔模檢測、產品工藝特征等。對于不同的聚合物，其特征及適用的成型方法亦各不相同，因此，還需要充分考慮產品的原材料，基于原材料進行模具的設計。

2.2.2 分型面及模仁設計

分型面是指模具中在產品位置凝料的面，其設計與產品的大小、形狀、厚度等因素相關，其設計對模具的結構設計也具有重大影響。分型面一般可以設計在產品的同一側，從而可以有效降低模具的加工難度。而模仁也處于模具的中心位置，是模具精密與否的關鍵零件。一般模仁需要采用特殊的鋼材來加工，以獲得最佳的效果。為了進一步提高注塑模具的精準度，可以在易磨損、難加工位置設計模仁鑲件，從而有利于排氣和加工，提高模具的壽命。

2.2.3 澆筑系統設計

2.2.4 冷卻系統設計

精密注塑模具的冷卻系統的目的是為了快速降低原料的溫度，以實現產品的凝結，其對產品的質量、生產效率以及成本具有極大影響。在進行設計時，需要考慮模具的可控快速降溫和降溫的均勻性兩個問題，尤其是后者，若降溫不均勻，就會直接導致產品翹曲的問題。目前，常用的冷卻介質主要是水和油，而水的成本低且比例大，因此應用更為廣泛[4]。

2.2.5 脫模動作設計

（1）當產品達到預定的保壓時間之后，澆口的溫度就會降至轉變溫度的臨界點，塑件會處于冷卻的狀態，當開模時，注塑機定距頂出的產品，同時兩根澆口頂針會朝著料筒的方向移動兩次，每次定距1 mm，完成動作后，設備復位。此時，注塑機的頂針會受到注塑機合模力以及限位桿的雙重作用，其會牢牢被固定，不會再發生位移。在完成上述所有動作后，側澆口將會從模具的內部被切斷。

（2）當產品完全冷卻后，模板會按照既定的程序來打開，由于尼龍開閉器的存在，脫料板和定模板就會被最先打開。注塑機開模時產生的開模力會將流道凝料從束口流道位置斷開，其中一部分會留在模具型腔內，另一部分則會殘留在脫料板上。然后定模座板與脫料板的分型面會被打開，從而將拉料銷中的凝料全部清除。最后，尼龍避開器會被拉開，從而打開“動”及“定”模板。

（3）注塑機會推動頂針板運動，頂針板會將產品頂住，然后澆口在澆口頂針的位置被切斷，在澆口頂針的作用之下，冷料就會順利脫模掉落。

2.3 智能模具加工島

一般來說，智能加工島主要由數控中心、精密型數控、火花成型機床機器人、預調臺、電子看板、標簽機等組成。

整個加工島是由MES 系統進行調控，對系統的運作進行協調，依照實際的加工需求來調度設備，從而加工出合格的產品。首先，操作人員先將毛坯件有序擺放，并在庫架上進行拼裝。對于庫架上的所有物件，均具有唯一的編碼，根據庫位編碼，利用DRID 讀取器，對所有物料進行快速掃描，保證入庫工作高效完成。在數據信息被錄入后，還需要借助MES 系統關聯這些數據，然后根據現場的實際作業情況對加工順序進行微調，確保加工過程的穩定性。機械手在接收到指令后，執行動作并將指令傳遞至相應的設備中，從而控制設備按照既定要求精確操作。

2.4 模具工藝設計

注塑成型的原理是將設計好的注塑模具安裝至注塑機上后，注塑機的合模機構會將其緊密貼合，然后熔融物料會通過流道進入產品型腔中，經過保溫、保壓以及冷卻后，塑料件就可以通過注塑機的頂針頂出，形成注塑制品。這種工藝過程操作非常簡單，同時效率也極高，也會根據不同的模具設計可以制造各式各樣的異型件產品，并為批量化生成提供了條件。注塑產品廠家需要根據其型號和規格精確的設計型腔及3D 數模，此時可以應用到CAE 的技術。該技術全稱為計算機輔助工程，利用計算機的運算和分析能力，實現對產品模型的分析，然后根據其輸出的分析結果，應用CAD 技術對模型進行優化，最終得到合適的產品設計方案[5]。Moldflow 是一款引用廣泛的CAE 軟件，由歐克特公司開發，可以進行澆口位置澆分析、流動模擬分析、成型窗口分析、翹曲分析等，可以有效地幫助設計者及時發現問題并進行修改。對于普通的塑件，其分析流程見圖3。通過前處理輸出一個初始的工藝參數，然后通過后處理的分析計算，對工藝參數的產品情況進行判定，判定的依據包括產品能否流滿、產品的脫模情況、產品的翹曲情況等，根據這些結果，然后基于系統的分析對工藝進行優化，若無需優化，則直接輸出一份報告用于指導后續的生產。

2.5 大數據分析及智能產線調試

產線的智能調試需要基于大數據和智能技術才能得以運行，其中MES 系統充當大腦的角色，對調試過程、方案等進行編排；工業機器人系統則負責進行執行，對產品進行實際的調試作業；FRID 信息識別系統則充當審閱者的角色，對物料信息進行識別；數控銑床系統則負責對模具進行優化。通過并網的運行，可以實時調控參數，對工業機器人的工作點位進行校正，確保工業機器人的動作能夠準確無誤。

2.6 模具成型零件加工與模具裝配

在前面的工作完成以后，需要進行模具成型零件的加工與裝配工作。在所有零件都可以借助FRID 管理系統實現產品的智能化設計時，就需要將工作重心轉移至提高模具型腔CDM 的放電加工的水平上來，以確保模具的加工過程的準確性和高效性。同時，通過實時掃描模型圖紙和模具結構圖，還可以控制系統使其能夠對零件的裝配情況進行確認，若有異常，則可以通過科學調整相關的工藝參數來實現加工和裝配的高精密性，實現產品的一體化生產。

2.7 數字化制造工藝流程

在產品圖紙繪制的階段，就需要將所涉及的所有零部件的相關信息全部錄入系統，并在CAM 編程階段將加工工藝、三坐標測量點、電極位置等信息進一步錄入信息庫。當需要對模具進行加工時，將數據共享至NC 中，從NC 中調取出相應的程序，減少人員操作失誤的情況。加工完成以后，QC 人員直接根據電極的信息就可以找到相應的電極模型并導入到三坐標中，測量的結果直接同步至數據庫中。當出現問題時，可以直接從數據庫中調取測試的結果。EDM 部門可以直接根據電極的信息確認電極的偏心情況以及放電的間隙，然后再進行放電加工。基于以上，數字化制造工業可以大大提高模具的加工精度，對于后續產品的穩定生產具有重要意義。

3 結語

隨著時代的進步發展，精密注塑模具的設計需要逐步引入數字化技術以及智能制造的技術，為我國模具行業的高質量發展奠定基礎。同時，需要強化數字化專業人才的培養，以更好地實現數字化與智能化。