摄像头精密塑模数字化设计与优化技术探究

胥海均

（深圳纳百鑫光学有限公司 广东 深圳 518000）

0 引言

随着我国工业化进程的推进，塑料制品的应用越来越广泛，要求也越来越多。但塑料制品需要通过注塑模具才能实现量产，因此，必须提高注塑模具的精密程度才能制造出优质的产品来。近年来，我国模具加工行业也在快速发展，精密注塑模具也逐步实现过程化，同普通的模具相比，精密注塑模具具有精度高、质量稳定以及寿命长的特点，所制品的精度也非常高，满足了现代制造企业的需求。随着行业竞争的加剧，模具加工企业需要朝着更高精度、更低成本、更短加工周期的方向发展，此时仅靠传统的加工工艺已经难以满足要求，需要引入基于数字化的模具设计和优化，才能实现精密注塑模具的高效与高质量的生产[1]。

1 传统精密注塑模具制造工艺流程

传统精密注塑模具的制造工艺流程见图1。

首先，由设计部门人员基于CAD 软件进行模具的设计，然后将评审合格的模具设计图纸转交给CAM 部门，再来进行模具加工工艺的制定，并编写数控加工（NC）的程序以及电火花的加工程序；所有准备完成以后，将图纸下发至现场，并将加工程序导入到加工中心中进行模具的加工；模具加工完成以后，需要由质检员借助三坐标测量仪对模具加工尺寸、电极的位置、发电的间隙3 个参数进行确认，确认无误后将模具及检测数据转移至EDM 程序进行放电处理，作业人员根据QC 测定的数据进行参数调整，需要对电极的偏心情况进行补偿，并准确输入放电间隙，防止损坏型腔；放电完成以后，一副注塑模具就已加工完成，然后需要进行试装备试模。

传统加工过程的精密性主要体现在精密测绘、精密加工、精密测量以及精密放电几个方面。首先是对客户的样品进行精密测绘，输出高精度的图纸；然后加工中心的加工精度必须要高，既包括了型腔的精度也包括了电极的精度，为后续发电的精度保证奠定基础。其次是需要精密的测量，对电极的加工偏移量以及放电位置的加工间隙进行测量，这一工序对精密塑模的加工有着重要意义，尤其是针对偏移量，其将作为放电加工补偿的依据所在。到EDM工序时，精确输入QC 所测数据是保证注塑模具加工精度的基础。然后，各工序之间是独立运行的，其数据格式也各不相同，数据共享的难度系数较大，造成数据不同步。同时，由于电极的数目众多，无法做到全检，因此，目前多采用抽检的形式，以样本代替总体的方法进行补偿，因此会造成部分模具的效果不佳。为了提高精密性，最直接的方法就是进行全检，但需要耗费大量的人力、物力和财力。此外，样品的测绘精度受到人员、环境等因素的干扰，精度波动性也非常大，而数字化设计制造技术则是解决上述问题的最好方法。

2 精密塑模数字化设计与优化技术

2.1 塑件的数字化模型重建

2.1.1 逆向工程技术

逆向工程技术也被称为反求的工程，其是基于数字化测量仪器，准确地构建出产品的坐标，通过进一步的修订和校核并结合产品的技术规格、用途以及功能等参数，最终构建出一个精确的数字化模型的技术[2]，该技术一方面可以对产品进行尺寸测量，另一方面也可以实现对产品设计的改进，可以大大缩短产品的研发周期，同时也大大提高生产效率。目前，有两款常用的逆向工程软件，其一是Geomagic Studo，其最大优势是可以通过精准扫描生成任意的零部件的数字模型；其二是CATIA，因其具有数字化的曲面编辑器和快速曲面模块而应用更为广泛，基于这两个模块，可以生成更精准的曲线。

2.1.2 数据采集技术

对于细节多、特征多、体积小的零部件，仅仅依靠三坐标测量仪来测量，数据极易出现偏差，导致产品图纸偏差较大，对于后续精密注塑模具的设计带来不便。为了提高精度，可以采用手持式激光扫描仪进行数据采集，见图2。目前，应用最广泛且精度最高的为加拿大生产的REVSCAN型仪器，其原理是将激光照射到零件上，然后借助CCD 来接受漫射光，然后根据成像原理形成三维坐标，其精度可控化在0.05 mm 以内。

2.1.3 数据处理技术

肝癌为临床常见恶性肿瘤,发病隐匿,多数患者出现临床症状时已为晚期,5年存活率<10%。因此,肝癌早期诊断具有重要意义,甲胎蛋白(AFP)为临床诊断肝癌的常见血清肿瘤标记物,但其敏感性约39%~64%,特异性约为76%~91%,易出现误诊、漏诊情况,给临床诊断和治疗带来不便[1]。研究指出[2],肝癌组织因各因素导致PIVKA-II释放入血,但其作用机制尚未完全明确。

将扫描的初步数据导入Geomagic studio 软件中，将所获取的点云全部转换成面片，然后通过折角的方式将无用的点云删除，从而使零件的曲面光滑。然后再通过填补、松弛、拉伸等技术操作后，可以得到一个平滑完整的数据模型。将模型摆至标准三维坐标中，形成标准坐标下的片体数据。然后基于CATIA 软件，将这些片体进行曲面的重构，通过曲面拟合、曲面修剪的缝合、曲面精度的校核，最终得到实体模型[3]。

2.2 模具方案数字化设计

模具方案设计着重在产品的分析、分型面及模仁设计、浇筑系统设计、冷却系统设计、脱模机构等5 个方面。

2.2.1 产品分析

由于产品的类别众多，特征也很复杂，而且其要求也各不尽相同，因此，在进行模具设计之前，必须对产品进行全面分析，分析要点包括产品尺寸、产品体积、产品拔模检测、产品工艺特征等。对于不同的聚合物，其特征及适用的成型方法亦各不相同，因此，还需要充分考虑产品的原材料，基于原材料进行模具的设计。

2.2.2 分型面及模仁设计

分型面是指模具中在产品位置凝料的面，其设计与产品的大小、形状、厚度等因素相关，其设计对模具的结构设计也具有重大影响。分型面一般可以设计在产品的同一侧，从而可以有效降低模具的加工难度。而模仁也处于模具的中心位置，是模具精密与否的关键零件。一般模仁需要采用特殊的钢材来加工，以获得最佳的效果。为了进一步提高注塑模具的精准度，可以在易磨损、难加工位置设计模仁镶件，从而有利于排气和加工，提高模具的寿命。

2.2.3 浇筑系统设计

2.2.4 冷却系统设计

精密注塑模具的冷却系统的目的是为了快速降低原料的温度，以实现产品的凝结，其对产品的质量、生产效率以及成本具有极大影响。在进行设计时，需要考虑模具的可控快速降温和降温的均匀性两个问题，尤其是后者，若降温不均匀，就会直接导致产品翘曲的问题。目前，常用的冷却介质主要是水和油，而水的成本低且比例大，因此应用更为广泛[4]。

2.2.5 脱模动作设计

（1）当产品达到预定的保压时间之后，浇口的温度就会降至转变温度的临界点，塑件会处于冷却的状态，当开模时，注塑机定距顶出的产品，同时两根浇口顶针会朝着料筒的方向移动两次，每次定距1 mm，完成动作后，设备复位。此时，注塑机的顶针会受到注塑机合模力以及限位杆的双重作用，其会牢牢被固定，不会再发生位移。在完成上述所有动作后，侧浇口将会从模具的内部被切断。

（2）当产品完全冷却后，模板会按照既定的程序来打开，由于尼龙开闭器的存在，脱料板和定模板就会被最先打开。注塑机开模时产生的开模力会将流道凝料从束口流道位置断开，其中一部分会留在模具型腔内，另一部分则会残留在脱料板上。然后定模座板与脱料板的分型面会被打开，从而将拉料销中的凝料全部清除。最后，尼龙避开器会被拉开，从而打开“动”及“定”模板。

（3）注塑机会推动顶针板运动，顶针板会将产品顶住，然后浇口在浇口顶针的位置被切断，在浇口顶针的作用之下，冷料就会顺利脱模掉落。

2.3 智能模具加工岛

一般来说，智能加工岛主要由数控中心、精密型数控、火花成型机床机器人、预调台、电子看板、标签机等组成。

整个加工岛是由MES 系统进行调控，对系统的运作进行协调，依照实际的加工需求来调度设备，从而加工出合格的产品。首先，操作人员先将毛坯件有序摆放，并在库架上进行拼装。对于库架上的所有物件，均具有唯一的编码，根据库位编码，利用DRID 读取器，对所有物料进行快速扫描，保证入库工作高效完成。在数据信息被录入后，还需要借助MES 系统关联这些数据，然后根据现场的实际作业情况对加工顺序进行微调，确保加工过程的稳定性。机械手在接收到指令后，执行动作并将指令传递至相应的设备中，从而控制设备按照既定要求精确操作。

2.4 模具工艺设计

注塑成型的原理是将设计好的注塑模具安装至注塑机上后，注塑机的合模机构会将其紧密贴合，然后熔融物料会通过流道进入产品型腔中，经过保温、保压以及冷却后，塑料件就可以通过注塑机的顶针顶出，形成注塑制品。这种工艺过程操作非常简单，同时效率也极高，也会根据不同的模具设计可以制造各式各样的异型件产品，并为批量化生成提供了条件。注塑产品厂家需要根据其型号和规格精确的设计型腔及3D 数模，此时可以应用到CAE 的技术。该技术全称为计算机辅助工程，利用计算机的运算和分析能力，实现对产品模型的分析，然后根据其输出的分析结果，应用CAD 技术对模型进行优化，最终得到合适的产品设计方案[5]。Moldflow 是一款引用广泛的CAE 软件，由欧克特公司开发，可以进行浇口位置浇分析、流动模拟分析、成型窗口分析、翘曲分析等，可以有效地帮助设计者及时发现问题并进行修改。对于普通的塑件，其分析流程见图3。通过前处理输出一个初始的工艺参数，然后通过后处理的分析计算，对工艺参数的产品情况进行判定，判定的依据包括产品能否流满、产品的脱模情况、产品的翘曲情况等，根据这些结果，然后基于系统的分析对工艺进行优化，若无需优化，则直接输出一份报告用于指导后续的生产。

2.5 大数据分析及智能产线调试

产线的智能调试需要基于大数据和智能技术才能得以运行，其中MES 系统充当大脑的角色，对调试过程、方案等进行编排；工业机器人系统则负责进行执行，对产品进行实际的调试作业；FRID 信息识别系统则充当审阅者的角色，对物料信息进行识别；数控铣床系统则负责对模具进行优化。通过并网的运行，可以实时调控参数，对工业机器人的工作点位进行校正，确保工业机器人的动作能够准确无误。

2.6 模具成型零件加工与模具装配

在前面的工作完成以后，需要进行模具成型零件的加工与装配工作。在所有零件都可以借助FRID 管理系统实现产品的智能化设计时，就需要将工作重心转移至提高模具型腔CDM 的放电加工的水平上来，以确保模具的加工过程的准确性和高效性。同时，通过实时扫描模型图纸和模具结构图，还可以控制系统使其能够对零件的装配情况进行确认，若有异常，则可以通过科学调整相关的工艺参数来实现加工和装配的高精密性，实现产品的一体化生产。

2.7 数字化制造工艺流程

在产品图纸绘制的阶段，就需要将所涉及的所有零部件的相关信息全部录入系统，并在CAM 编程阶段将加工工艺、三坐标测量点、电极位置等信息进一步录入信息库。当需要对模具进行加工时，将数据共享至NC 中，从NC 中调取出相应的程序，减少人员操作失误的情况。加工完成以后，QC 人员直接根据电极的信息就可以找到相应的电极模型并导入到三坐标中，测量的结果直接同步至数据库中。当出现问题时，可以直接从数据库中调取测试的结果。EDM 部门可以直接根据电极的信息确认电极的偏心情况以及放电的间隙，然后再进行放电加工。基于以上，数字化制造工业可以大大提高模具的加工精度，对于后续产品的稳定生产具有重要意义。

3 结语

随着时代的进步发展，精密注塑模具的设计需要逐步引入数字化技术以及智能制造的技术，为我国模具行业的高质量发展奠定基础。同时，需要强化数字化专业人才的培养，以更好地实现数字化与智能化。