基于逆向工程的机械产品造型设计
基于逆向工程的机械产品造型设计
付 伟,张 海,龚志远
(华东交通大学机电学院,南昌330013)
摘要:利用激光扫描仪,以Surfacer、Pro/Engineer、Mastercam为软件平台,以煤矿机械常用的
轮辐为例,介绍了基于逆向工程实现模型重建过程和方法。阐明了逆向工程技术应用的一般程序、
技巧以及常见问题的解决。
关键词:逆向工程;激光扫描仪;产品造型
Design of Machine Produce Based on Reversing Engineering Technology
FU Wei,ZHANG Hai,GONG Zhi-yuan
(East China Jiaotong University, Electromechanical Department, Nanchang 330013,China)
Abstract:Introduces the processes and methods to restructure product based on inverse engineering technology
by utilizing laserscanner and Surfacer,Pro/Engineer,Mastercam. Given an example of spoke appeared in colli-
ery machine, illustrate the proceeding, the skills and the solutions frequently aboutthe application of reversing
engineering technology.
Key words:reverse engineering; laser scanner; design of machine produce
0 前言
在快速模具设计与制造中,人们常常针对现有
实物(样品或模型),利用激光扫描仪(或3D数字化
测量仪)准确、快速地测量轮廓坐标数据,然后建构
曲面,编辑、修改后,再传至一般的CAD/CAM系统,
由CAM所产生刀具的NC加工代码送至CNC加工
机床制作所需模具,或者送到快速成型机(Rapid
Prototyping)将样品模型制作出来,此流程称为逆向
工程。
逆向工程主要包括2方面内容:数字化技术和
曲面重建技术。数字化技术是指实物或模型数据的
采集;曲面重建是指根据离散数据,在CAD软件里
构建曲线、曲面,从而建立三维模型。
利用逆向工程进行三维曲面造型的步骤一般
是:首先获取点云数据,然后在点云中提取特征,构
建特征曲线,再分割面域,最后建构自由曲面。
产品不单单是功能要先进,外形也有很高的要
求。近年来在3D CAD软件普及的带动下,工业设
计越来越侧重于产品的外观造型。设计师们先通过
手工方式塑造出模型,如蜡模、木模等,然后再以三
维测量工具测量数据,最后由CAD软件生成自由曲
面。在没有图纸且产品或模型比较复杂的情况下,
采用传统的测量技术已经远远不能满足要求,而采
用逆向工程,则可以大大缩短设计与制造加工周期,
而且精度更高。
以煤矿机械常用的轮辐为讨论对象,利用激光
扫描仪测出轮辐曲面的若干数据,通过Surfacer逆向
工程软件进行数据处理,然后输出到Pro/Engieer进
行3D造型并分模,形成模具型腔,最后转换到Mas-
tercam编写程序,后处理后生成加工代码。
1 数据的获取及处理
首先使用Roland激光扫描仪,并采用Roland自
带的测量软件Dr.Picza3进行数据扫描测量。把实
物放到激光扫描仪里,找一个比较好测量的基准面
做定位面,设置一些相应的参数,然后点击“扫描”选
项,激光扫描仪就能自动记录下所获取的曲面点云
数据并保存在计算机里。在扫描的时候,测量点距
越小,所获得的点云数据就越逼近于所测量的实物
表面,但相应的,扫描时间也更长。点距设置的大小
主要取决于机器的精度及实物所要达到的要求。
Roland激光扫描仪可以达到最小精度是0.05 mm的
间距,完全能达到一般模具设计要求。
在测量的时候,由于激光扫描仪存在着扫描“死
点”,或是零件形状复杂,所以有一部分的曲面数据是
无法一次性扫描得到,这就需要移动或旋转零件,这
样才能得到完整的数据,然后以SEC的格式输出。输
出的点云经Surfacer利用诸如圆柱面、球面、平面等特
殊的点信息将点阵准确对齐。由于轮辐是中心对称
零件,为了减少扫描以及后续点云处理时间,选用了
逆向工程在快速模具中的应用的资料？叶轮的逆向工程应用？
传统模具的设计制造方法
逆向工程技术主要包括两方面内容：数字化技术和曲面重构技术。数字化技术是利用三维扫描测量仪采集实物或模型表面数据；曲面重建技术是根据测量所得到的几何表面的一系列点数据，构造出型体曲线、曲面，最终重构三维模型。
4 逆向设计方法及过程
4.1 CAD/CAM软件选择
目前功能较为完善的商品化CAD/CAM集成系统软件较多，现选择Imageware公司的Surfacer及PTC公司的Pro/E进行逆向设计，具体内容包括：①数字化点的输入与处理，包括数据输入与数字化点数据的变换与处理；②划分出二次曲面的区域。构造模型特征；③针对处理完成的点云数据，建立零件的三维造型；④零件三维造型和实测点云的检测；⑤生成零件的压铸模实体模型；⑥模具的制造及优化处理。
4.2 三维数据采集
为了方便零件的扫描和保证扫描的精确性，需对零件做必要的前期准备，如贴参考点、物体表面喷涂显像剂和仪器与软件校准等。在此选用三维光扫描抄数系统，通过被测物体上的标记特征来完成数据的自动拼合，直接从扫描头得到三维测量数据。系统采用全新的自定位技术，扫描方式为十字型激光扫描，测量精度为0.1mm/0.5m，实时完成数据处理，直接生成三角面，以.stl格式数据输出，保证无冗余数据和数据重叠。使用三维激光扫描系统对零件整个部分多个角度的不同方位进行扫描。扫描完成后，经过点云对齐、三角化、光顺和稀化，得到的零件外形点云文件(见图2)。接下来输出*.stl文件，以便Imageware软件对点云进行后序处理。
4.3 三维几何建模
几何建模是逆向工程的关键，构建曲面是几何建模的关键。建模的过程也就是对数据进行处理的过程。数据处理的目的是获得输入数据的基本特征信息，其通用的手段主要有数据调整、区域修剪、数据密度修改、数据光顺、杂点去除、尖角保留等，从而得到所需的图形。
用Imageware软件调入扫描所得点云文件，并依据点云的特征。做出一些辅助的基准，以便把零件点云进行方位对齐，为提取截面线做准备。点云数据中含有许多杂点，因此需把杂点过滤掉，并对点云数据进行数据平滑、数据清理、补齐遗失点等优化处理，删除不必要的数据点，适当降低点云的密度，可以加快计算机处理的速度，构建零件对称基准面等。得到零件的光顺曲线网格图形如图3所示。
特征线的提取是整个模型重构的关键。根据零件的外形特点，划分出二次曲面的区域，如内孔、凹槽、平面、圆柱面等。并对零件点云进行分割，把这些二次曲面拟合构造内孔、凹槽、平面或圆柱面，也可直接做出特征。平面可以用三点或两相交直线来确定，孔或圆柱面则以截面线和矢量来确定．通过测量实体模型并结合扫描数据生成。对于自由曲面．需构造出曲面的特征线。先对零件点云做出必要截面线，然后剔除截面点云的杂点进行必要的光顺，最后把截面点云拟合成曲线，以便构造自由曲面。
建立零件的三维模型后，针对零件上需加工的部位增加1.5m左右的加工余量，将孔位封起。压铸模实体模型还要考虑收缩率，一般为5‰，运用Pro/E可以自动增加收缩率，也可通过改变比例来实现。进行外观修整，如圆角、倒角、拔模角等处理后，得到零件压铸模实体模型，如图5所示。
4.4 模具结构设计与制造
压铸模实体模型建成后，可进一步作模具分型设计，生成型模凹槽、侧抽及镶件等，以便进行模具的结构设计：①推出机构设计；②溢流槽、排气口设计；③浇口、流道设计；④抽芯机构及位设计；⑤模具常规零件设计等。应用Pro/E软件的Assmbly和Modei模块进行模具设计，生成模具的型芯和型腔。使用干涉检测，仿真靠模开起顺序。运用Pro/E所提供的加工模块Pro/Manufacturing对模具型腔进行处理，将压铸模实体模型汇入Pro/E软件的Manufacturing模块中进行NC加工程序的制作，生成粗精加工程序。由于数控机床的加工过程中要避免使机床发生碰撞，同时还需避免产生过切或错误的刀具轨迹，为此须进行刀位验证，来判断刀具轨迹是否连续、进退刀、走刀路线是否合理。加工过程的动态图形仿真验证采用实体造型技术建立零件的毛坯、夹具和刀具在加工过程中的实体模型，使用快速布尔运算。最后采用真实感图形显示技术，把加工过程动态地显示出来，动态仿真显示刀具加工轨迹。将生成NC加工的G代码输入三轴(或五轴)加工中心对模具进行加工；对模具电极进行处理，生成电极加工程序，对模具电极进行加工等。
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