譚偉林 彭志強(qiáng) 鄧浩

1.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南株洲 412006

2.中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南株洲 412006

逆向造型是指對(duì)根據(jù)已有產(chǎn)品實(shí)物零件進(jìn)行表面數(shù)據(jù)采集，并利用三維造型軟件重構(gòu)零件三維CAD模型的過(guò)程。相對(duì)于傳統(tǒng)正向造型，逆向造型是對(duì)外來(lái)先進(jìn)技術(shù)的吸收和消化，開發(fā)新產(chǎn)品的有效方法，能有效縮短設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性[1]，快速占領(lǐng)市場(chǎng)。本文主要某機(jī)械部件中葉輪軸為例（圖1所示），根據(jù)零件已有STL模型數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行模型定位、逆向造型，并最終實(shí)現(xiàn)葉輪軸的逆向造型設(shè)計(jì)。

圖1 葉輪軸STL模型

1 模型定位

葉輪軸的STL文件是利用三維掃描儀對(duì)葉輪軸的表面數(shù)據(jù)進(jìn)行采集形成點(diǎn)云文件后，經(jīng)過(guò)降噪、除雜而最終形成的。由于STL模型沒(méi)有指定坐標(biāo)系，故將葉輪軸的STL文件導(dǎo)入NX11后，該模型會(huì)出現(xiàn)在空間任意位置[2]。為了便于后期的逆向造型和數(shù)控加工，首先需完成STL模型定位，其核心思路是構(gòu)建一個(gè)零件的坐標(biāo)系，然后使其與NX11建模環(huán)境中的世界坐標(biāo)系對(duì)齊即可。具體操作流程為：①利用三點(diǎn)確定基準(zhǔn)平面工具在STL模型端面創(chuàng)建一基準(zhǔn)平面A，由此確定坐標(biāo)系的Z軸；②運(yùn)用“截面曲線”命令得出基準(zhǔn)平面A與STL模型的交點(diǎn)，并在基準(zhǔn)平面A上利用已知交點(diǎn)繪制圓，由此確定坐標(biāo)系原點(diǎn)；③利用三點(diǎn)創(chuàng)建STL模型的左右兩個(gè)平面，并根據(jù)基準(zhǔn)平面“二等分”創(chuàng)建中心對(duì)稱平面B，由此確定X軸，并最終完成零件坐標(biāo)系的創(chuàng)建；④運(yùn)用“移動(dòng)對(duì)象”命令中“CSYS到CSYS”方式，“起始CSYS”指定為新創(chuàng)建的STL模型坐標(biāo)系，“目標(biāo)CSYS”為NX11模型空間的絕對(duì)CSYS，將STL模型移動(dòng)至坐標(biāo)原點(diǎn)，完成葉輪軸STL模型的定位，如圖2所示。

圖2 STL模型坐標(biāo)系構(gòu)建圖

2 逆向造型

在完成STL模型定位后，即可對(duì)STL模型進(jìn)行關(guān)鍵尺寸的截取，逐步完成葉輪軸的實(shí)體建模。為精準(zhǔn)、快速的完成葉輪軸的造型，可采取正向建模思路、逆向建模手段進(jìn)行。

①通過(guò)“偏移基準(zhǔn)平面”在葉輪軸的幾個(gè)關(guān)鍵部位創(chuàng)建平面，通過(guò)“截取曲線”命令讓這些平面與STL模型相交，而獲得不同采樣點(diǎn)，再運(yùn)用草圖功能在各平面上根據(jù)采樣點(diǎn)繪制各截面草圖，最后運(yùn)用“拉伸”命令完成部分實(shí)體的創(chuàng)建[3]。

②利用“截取曲線”命令讓XZ平面與STL模型求出采樣點(diǎn)，并利用草圖功能完成模型中間部分回轉(zhuǎn)特征截面的創(chuàng)建，并運(yùn)用“旋轉(zhuǎn)”命令完成回轉(zhuǎn)特征的創(chuàng)建，建模結(jié)果如圖3所示。

圖3 主體逆向造型

③在葉輪部分的上下端，通過(guò)偏移XY平面創(chuàng)建兩平面，利用“截取曲線”命令獲取葉輪部分關(guān)鍵點(diǎn)，并通過(guò)“樣條曲線”命令擬合葉輪部分曲線，再通過(guò)“網(wǎng)格曲面”命令創(chuàng)建葉輪曲面。在縫合網(wǎng)格曲面后，利用縫合曲面裁剪主體模型，完成單個(gè)葉輪部分的創(chuàng)建，通過(guò)陣列葉輪部分，最終形成葉輪部分的創(chuàng)建，圖4。

圖4 葉輪部分的創(chuàng)建

④最后，完成螺紋孔、倒圓角、倒直角等細(xì)節(jié)特征的創(chuàng)建，結(jié)果如圖5所示。

3 對(duì)比分析

圖5 葉輪軸逆向造型結(jié)果

為檢查逆向造型結(jié)果是否滿足要求，通過(guò)Geomagic Control將逆向造型的結(jié)果模型與原STL模型進(jìn)行對(duì)比檢查，結(jié)果如表1所示。通過(guò)分析對(duì)比分析結(jié)果，誤差0.08mm以內(nèi)占比60.9%，誤差0.2mm以內(nèi)占比93%，表明葉輪逆向造型結(jié)果基本符合逆向造型要求。

表1 結(jié)果對(duì)比分析數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)用NX11對(duì)葉輪軸零件的逆向造型，獲得了基本反映原產(chǎn)品的三維模型，而且可以進(jìn)一步修改并生成完成的產(chǎn)品圖紙，為后續(xù)的數(shù)控加工帶來(lái)了很大的便利，極大縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品的工作效率，同時(shí)也表明NX11在機(jī)械零件逆向造型中的應(yīng)用具有重大意義。