本站小編為你精心準(zhǔn)備了工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)及數(shù)控加工應(yīng)用參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：通過逆向設(shè)計(jì)與數(shù)控加工相結(jié)合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速開發(fā)制造。利用產(chǎn)品的形狀特點(diǎn)，采用三維掃描儀掃描海豚零件的三維輪廓數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)處理軟件GeomagicWrap快速、高效地進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、多邊形模型處理；應(yīng)用專用逆向軟件GemagicDesignX重構(gòu)工業(yè)產(chǎn)品的三維實(shí)體模型，并進(jìn)行誤差分析；應(yīng)用SIEMENSNX軟件完成該模型的三維數(shù)控加工的程序編制，經(jīng)實(shí)體驗(yàn)證仿真加工確保無誤后，生成數(shù)控加工代碼，在機(jī)床上加工出產(chǎn)品。在工程實(shí)際中具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：逆向工程；數(shù)字化設(shè)計(jì)；三維掃描；數(shù)據(jù)處理；模型重構(gòu)；數(shù)控加工

逆向工程是近幾年發(fā)展起來的先進(jìn)制造技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)、航空航天、汽車、生活用品、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)和建筑等領(lǐng)域。采用逆向工程的方法進(jìn)行原型快速重建，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新、樣件加工、模具設(shè)計(jì)等快速開發(fā)制造的方法，已經(jīng)成為工程技術(shù)人員快速獲取設(shè)計(jì)模型的重要手段。逆向工程是利用三維數(shù)字化測量設(shè)備測量三維實(shí)物（樣品或模型），準(zhǔn)確、快速測得實(shí)物或者模型的三維輪廓數(shù)據(jù)，通過專業(yè)逆向軟件進(jìn)行模型的重構(gòu)與再設(shè)計(jì)，生成具有通用輸出格式的曲面或?qū)嶓w三維數(shù)字化模型，利用設(shè)計(jì)、編程軟件生成NC加工刀具路徑，或者快速原型制造系統(tǒng)所需的模型三維幾何數(shù)據(jù)，用于復(fù)制加工出實(shí)物或其原型的制造過程［1］。具體流程如圖1所示。本文以工業(yè)產(chǎn)品海豚模型為例，采用三維掃描儀測量產(chǎn)品的三維輪廓數(shù)據(jù)，應(yīng)用逆向設(shè)計(jì)軟件Geomagic重構(gòu)產(chǎn)品的三維模型，應(yīng)用SIEMENSNX軟件對CAD模型進(jìn)行數(shù)控加工編程，并模擬加工產(chǎn)品。

1產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)

產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)流程：三維輪廓數(shù)據(jù)采集→點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理→參數(shù)曲面重構(gòu)→曲面擬合誤差分析。

1．1零件三維輪廓數(shù)據(jù)采集

實(shí)體的三維輪廓數(shù)據(jù)采集是逆向工程關(guān)鍵技術(shù)之一。三維輪廓數(shù)據(jù)采集就是使用一定的測量設(shè)備對被測實(shí)體進(jìn)行數(shù)字化的過程，即用一系列離散的點(diǎn)來提取產(chǎn)品對象的曲線、曲面的三維形狀信息［2］。數(shù)據(jù)采集質(zhì)量決定重構(gòu)實(shí)體模型的質(zhì)量，并影響最終加工產(chǎn)品能否真實(shí)反映原始實(shí)體模型，是整個(gè)逆向工程技術(shù)的基礎(chǔ)。本文的三維輪廓數(shù)據(jù)采集是利用先臨科技有限公司生產(chǎn)的Shining3D－Scanner系列三維掃描儀，采用光柵掃描技術(shù)，標(biāo)志點(diǎn)全自動拼接，掃描效率較高。數(shù)據(jù)采集如圖2所示。采集要求：點(diǎn)云完整；雜點(diǎn)、噪聲點(diǎn)盡量少；點(diǎn)云分布盡量規(guī)整平滑；保留其原始特征。首先觀察物體表面亮度。物體的表面亮度對掃描工作很重要。若被掃描工件的表面具有反光特性（如金屬制品），應(yīng)噴涂顯像劑。若被掃描工件的表面具有吸光特性（如黑色物體），也要噴涂顯像劑。顯像劑噴涂時(shí)距離工件約為30cm，盡可能薄且均勻。一些不反光也不吸光的物體可以直接掃描。掃描工件的表面要保證干凈，無明顯污漬，掃描時(shí)可借助支架或者橡皮泥將工件放穩(wěn)再進(jìn)行掃描。其次通過粘貼標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行工件不同視角自動拼接。為了完整掃描三維實(shí)體，三維掃描儀需要通過不同角度對工件進(jìn)行拍攝獲取數(shù)據(jù)，因此，被掃描物體表面需要粘貼標(biāo)志點(diǎn)，以便不同角度數(shù)據(jù)可以順利拼接。標(biāo)志點(diǎn)主要是一定直徑大小的黑白同心圓點(diǎn)，需要根據(jù)零件的大小選擇標(biāo)志點(diǎn)直徑。本文掃描的海豚模型幅面為100～200mm，因此選擇的是10mm直徑的標(biāo)志點(diǎn)。標(biāo)志點(diǎn)粘貼時(shí)要粘牢、粘平，不能有污漬，尤其黑色和白色部分要分明。標(biāo)志點(diǎn)要盡量粘貼在平面區(qū)域或者曲率較小的曲面，盡量遠(yuǎn)離工件邊界，不能粘貼在一條直線上，也不要粘貼對稱；一般掃描儀公共標(biāo)志點(diǎn)至少為3個(gè)，每個(gè)面建議粘貼5～7個(gè)為宜。若是在噴有顯像劑的工件上粘貼標(biāo)志點(diǎn)，為了避免脫落，可用棉簽沾水先擦掉要粘貼處的白色粉末，再進(jìn)行粘貼，但這項(xiàng)操作需要技術(shù)人員具有豐富的掃描經(jīng)驗(yàn)，一般也可先貼標(biāo)志點(diǎn)，再進(jìn)行噴粉，最后用棉簽蘸水擦除標(biāo)志點(diǎn)上的白色粉末。將掃描儀標(biāo)定好后進(jìn)行工件的掃描操作，市場上三維掃描儀一般都是通過上下面都具有旋轉(zhuǎn)功能的轉(zhuǎn)盤來旋轉(zhuǎn)工件。不論是哪種類型的三維掃描儀，都需要移動工件或移動掃描儀進(jìn)行多幅掃描，產(chǎn)品掃描的2個(gè)角度之間通過公共標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行拼接，所有角度拼接完畢即可獲得工件的整體輪廓數(shù)據(jù)。掃描后的工件點(diǎn)云如圖3所示。圖3中共9片點(diǎn)云。

1．2產(chǎn)品點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

產(chǎn)品實(shí)體經(jīng)過三維掃描儀掃描后，獲得代表工件特征信息的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要專用的逆向設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維模型的重構(gòu)；但是如果掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在問題，就會對后續(xù)的建模產(chǎn)生較大影響。因此，在進(jìn)行模型構(gòu)建之前，需要對產(chǎn)品三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以獲得完整、正確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來進(jìn)行后續(xù)的重構(gòu)操作。數(shù)據(jù)處理主要有雜點(diǎn)去除、噪聲平滑處理、數(shù)據(jù)精簡、點(diǎn)云對齊等操作。本文選用的GeomagicWrap是一款專用逆向數(shù)據(jù)處理軟件，能夠快速進(jìn)行上述處理工作，完成3D掃描數(shù)據(jù)到三角面片的過程，可將三角面片保存成STL模型導(dǎo)入后續(xù)逆向設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模型重構(gòu)。處理后的海豚產(chǎn)品三角面片模型如圖4所示。

1．3參數(shù)曲面重構(gòu)

在獲得產(chǎn)品表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行點(diǎn)云的預(yù)處理之后，生成的多邊形模型（STL格式），表面質(zhì)量較差且三角面過多，是不能直接用于機(jī)械加工或者數(shù)控加工的，因此需要根據(jù)曲面（一般為STL格式）構(gòu)建出最后所需要的CAD實(shí)體模型，實(shí)體模型能作為IGES／STEP文件輸出，并輸入任何CAD／CAM系統(tǒng)中。重構(gòu)CAD實(shí)體模型的質(zhì)量既要滿足光順性的要求，又要保證精度。GeomagicDesignX是目前應(yīng)用比較方便的專用逆向設(shè)計(jì)軟件，并且可以與其他三維軟件進(jìn)行無縫對接，非常適合工業(yè)零部件的逆向設(shè)計(jì)。1）步驟一：領(lǐng)域劃分。根據(jù)產(chǎn)品的幾何形狀對模型劃分自動區(qū)域，通過編輯塊的面積和位置，從而更準(zhǔn)確擬合曲面。相比其他逆向軟件，GeomagicDesignX中的“領(lǐng)域組劃分”模塊是最具有優(yōu)勢的功能模塊，是以物體的幾何形狀、曲面特征等領(lǐng)域分類為形狀特征的基準(zhǔn)［3］，根據(jù)海豚模型的結(jié)構(gòu)，敏感度數(shù)值輸入10，平滑滑塊放在1／3格，結(jié)果如圖5所示。2）步驟二：坐標(biāo)系建立。軟件建立坐標(biāo)系的方法有3－2－1坐標(biāo)系和X－Y－Z坐標(biāo)系2種，即根據(jù)模型的點(diǎn)－線－面或者3個(gè)互相垂直的棱線構(gòu)建坐標(biāo)系，分析海豚模型的特征，選擇底面作為XY平面，通過繪制與底面垂直的YZ平面，進(jìn)行坐標(biāo)系對齊，對齊后的效果如圖6所示。3）步驟三：逆向建模。首先分析海豚產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征，通過領(lǐng)域的劃分，利用“曲面擬合”命令擬合海豚身體和魚尾的自由曲面，再通過“剪切曲面”命令進(jìn)行修剪曲面；海豚的魚鰭可使用“基礎(chǔ)曲面”進(jìn)行擬合修剪；海豚的尾部“3D面片草圖”獲取魚尾 的3D曲線，再使用“放樣曲面”功能獲得曲面，然后與魚身曲面進(jìn)行修剪；海豚底部特征可利用“面片草圖”功能獲得曲線，以特征曲線為基礎(chǔ)，通過拉伸曲面進(jìn)行修剪；最后進(jìn)行“縫合”命令獲得三維實(shí)體，結(jié)果如圖7所示。利用GeomagicDesignX軟件右側(cè)區(qū)域的類型下方的“偏差”按鈕，軟件自動比對所建立的模型與掃描出來完成的STL模型之間的誤差分析。鼠標(biāo)光標(biāo)放在模型的任何一個(gè)地方都有誤差數(shù)據(jù)顯示。實(shí)體模型與掃描點(diǎn)云的誤差分析效果如圖8所示，綠色部分為誤差控制在±0．1mm以內(nèi)的區(qū)域，可知，擬合的曲面精度合格。

2產(chǎn)品的數(shù)控加工

重構(gòu)生成海豚產(chǎn)品的三維實(shí)體模型后，就可以對其進(jìn)行數(shù)控加工了。模型中曲面較多且較復(fù)雜，曲面起伏變化較大，需要選定裝夾方案，設(shè)置裝夾工藝凸臺。本文選用SIEMENSNX軟件進(jìn)行數(shù)控自動編程，對模型數(shù)控加工，毛坯選擇160mm×70mm×70mm，能夠通過選擇粗加工和精加工方法及刀具，模擬加工零件，并生成后處理程序，經(jīng)修改后傳輸?shù)綌?shù)控機(jī)床。

2．1加工工藝流程

該零件毛坯為鋁合金材料，屬于復(fù)雜曲面類零件，為了便于區(qū)分，可將零件分成正、反面進(jìn)行加工。結(jié)合SIEMENSNX軟件，對零件進(jìn)行工藝性分析，編制零件的加工工藝規(guī)程（見表1）。按照加工工藝路線的安排，對零件正反面均進(jìn)行粗加工、半精加工和精加工。

2．2刀具路徑生成

在SIEMENSNX軟件中，設(shè)置基準(zhǔn)坐標(biāo)系，裝夾形式以底面和兩側(cè)面為裝夾定位基準(zhǔn)，利用精密機(jī)用虎鉗定位夾緊工件。根據(jù)機(jī)床的剛性、毛坯材料、零件結(jié)構(gòu)和切削用量等創(chuàng)建刀具［4］。設(shè)置切削方式、每次切削深度、切削模式、加工余量、進(jìn)給率和主軸轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)，點(diǎn)擊生成刀具路徑軌跡。系統(tǒng)生成的刀具路徑軌跡如圖9所示。

2．3仿真加工及后處理

生成零件的加工路徑后，可用SIEMENSNX軟件的3D模擬切削功能來檢驗(yàn)刀具路徑的正確性，仿真加工圖如圖10所示。仿真加工無誤后，可執(zhí)行后處理，不同的機(jī)床能識別的數(shù)控代碼不相同，所以不同的機(jī)床必須使用不同的后置處理文件。零件的加工設(shè)備是銑削加工中心，采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，支持DNC在線加工。點(diǎn)擊SIEMENSNX軟件【工序?qū)Ш狡鳌俊叭∫焉傻牡毒哕壽E→生成G代碼，選擇機(jī)床型號，修改相關(guān)參數(shù)，即可生成TXT格式的G代碼加工程序。將生成的數(shù)控程序，利用數(shù)據(jù)線或U盤輸送到數(shù)控機(jī)床，即可利用數(shù)控機(jī)床制造出海豚零件的三維實(shí)體，產(chǎn)品加工實(shí)物如圖11所示。

3結(jié)語

本文利用三維掃描儀獲取了工業(yè)產(chǎn)品海豚模型的三維輪廓數(shù)據(jù)，再通過專用逆向建模軟件GeomagicWrap和GeomagicDesignX實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的CAD模型重構(gòu)，并將模型導(dǎo)入到SIEMENSNX軟件進(jìn)行了加工軌跡規(guī)劃，合理選擇了加工刀具，針對模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇了合理的加工工藝方法。證明了逆向數(shù)字化設(shè)計(jì)與數(shù)控加工結(jié)合作為新產(chǎn)品開發(fā)的必要手段，能夠?qū)崿F(xiàn)零件快速制造，操作方法便捷，滿足逆向工程需求，其他具有復(fù)雜曲面的工業(yè)產(chǎn)品也可使用本方法進(jìn)行快速開發(fā)制造。

參考文獻(xiàn)

［1］盧允娥．反求工程中復(fù)雜曲面坐標(biāo)測量的建模與仿真［D］．蘭州：蘭州理工大學(xué)，2008．

［2］趙剛．基于逆向工程對安全錘的設(shè)計(jì)與數(shù)控加工［J］．機(jī)械工程與自動化，2018，4（2）：199－200．

［3］黃斌達(dá)，王琦，陳發(fā)威．復(fù)雜曲面零件的逆向建模及數(shù)控加工仿真的研究［J］．組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2010（12）：97－100．

［4］王亮德．復(fù)雜曲面零件的反求建模與數(shù)控加工探討［J］．煤礦機(jī)械，2009，30（8）：118－120．

作者：高志華 劉旸 潘春生 李付克 單位：河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院