劉玲玲,王雪夢(mèng)

(1.河南工學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453000；2.河南新飛電器有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

隨著國(guó)民生產(chǎn)總值和人們生活水平的日益提高，人們對(duì)產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)要求越來(lái)越多,特別是在飛機(jī)、汽車(chē)、工藝美術(shù)品和模具等的設(shè)計(jì)和制造中，很多零部件都是由復(fù)雜的自由曲面拼接而成，因此在概念設(shè)計(jì)階段難以用嚴(yán)密、統(tǒng)一的數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述。近年來(lái)，產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)逐漸走向成熟，出現(xiàn)逆向設(shè)計(jì)法。由于產(chǎn)品造型的逆向設(shè)計(jì)有起點(diǎn)高、成本低、周期短、易改型、易創(chuàng)新的特性，自出現(xiàn)以來(lái)便受到了企業(yè)設(shè)計(jì)師們的關(guān)注。逆向工程是對(duì)已有的具有先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)品，對(duì)它進(jìn)行仿照或者在仿照的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，是對(duì)已有設(shè)計(jì)的一個(gè)再設(shè)計(jì)[1]。早期逆向設(shè)計(jì)主要應(yīng)用的軟件為Geomagic Studio的點(diǎn)云處理，然后使用Pro/E來(lái)逆向建模。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在逆向設(shè)計(jì)主要應(yīng)用的軟件還是Geomagic Studio的點(diǎn)云處理，但是已經(jīng)使用RapidFrom來(lái)逆向建模以實(shí)現(xiàn)逆向設(shè)計(jì)了。RapidForm是韓國(guó)INUS公司出品的全球四大逆向工程軟件之一，RapidForm提供了新一代運(yùn)算模式，可實(shí)時(shí)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)運(yùn)算出無(wú)接縫的多邊形曲面，使它成為 3D Scan 后處理的最佳接口[1]。RapidForm將工作效率提升很多，使 3D 掃描設(shè)備的運(yùn)用范圍擴(kuò)大，同時(shí)也改善了掃描的品質(zhì)。在逆向設(shè)計(jì)應(yīng)用中，RapidForm較以前使用的軟件有以下優(yōu)點(diǎn)[1]：(1)提供記憶管理技術(shù)，縮短處理數(shù)據(jù)的時(shí)間；(2)迅速處理龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不論是稀疏的點(diǎn)云還是跳點(diǎn)，都可以輕易地轉(zhuǎn)換成非常好的點(diǎn)云；(3)提供過(guò)濾點(diǎn)云工具以及分析表面偏差的技術(shù)來(lái)消除3D掃描儀所產(chǎn)生的不良點(diǎn)云；(4)提供一個(gè)特別的計(jì)算技術(shù)，針對(duì)3D及2D處理是同類(lèi)型計(jì)算，提供了一個(gè)最快最可靠的計(jì)算方法，可以將點(diǎn)云快速計(jì)算出多邊形曲面；(5)能處理無(wú)順序排列的點(diǎn)數(shù)據(jù)以及有順序排列的點(diǎn)數(shù)據(jù)；(6)提供上色功能，通過(guò)實(shí)時(shí)上色編輯工具，可以直接對(duì)模型編輯自己喜歡的顏色；(7)使用者可以方便地對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行各種各樣的合并。

1 汽車(chē)外拉手逆向設(shè)計(jì)總體思路

首先，利用三維立體掃描儀采集汽車(chē)外拉手外殼的曲面數(shù)據(jù)，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)；其次，導(dǎo)入Geomagic Studio軟件，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理成線框模型；最后，利用線框模型在RapidForm中生成汽車(chē)?yán)值耐鈿で妫ㄟ^(guò)UG NX10.0軟件對(duì)汽車(chē)?yán)诌M(jìn)行數(shù)控加工。

1.1 曲面數(shù)據(jù)的采集與處理

曲面數(shù)據(jù)的采集需要用到三維掃描儀。目前某校擁有的三維掃描儀是北京三維天下的win3DD-M單目掃描儀。該掃描儀的工作過(guò)程如下：首先，在汽車(chē)外拉手上噴上顯像劑，然后開(kāi)始貼標(biāo)志點(diǎn)，這種標(biāo)志點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)大小，掃描軟件可以默認(rèn)識(shí)別。貼點(diǎn)的位置和多少視工件結(jié)構(gòu)和大小而定。對(duì)汽車(chē)外拉手采用正反面貼點(diǎn)的方式：正面貼5個(gè)，如圖1所示；背面貼5個(gè)，如圖2所示；把貼過(guò)標(biāo)志點(diǎn)的汽車(chē)外拉手放置在三維掃描儀的二維轉(zhuǎn)盤(pán)上，如圖3所示。放置的位置需要掃描者在底盤(pán)上前后、左右、上下來(lái)調(diào)試，最終找到一個(gè)最合適的位置。如果在掃描過(guò)程中發(fā)現(xiàn)無(wú)法將工件數(shù)據(jù)完整地采集，不可以讓工件和轉(zhuǎn)盤(pán)發(fā)生相對(duì)位移，只要一動(dòng)位置，就需要重新掃描，所以第一步操作放置汽車(chē)外拉手很關(guān)鍵，需要具有一定的操作經(jīng)驗(yàn)和掃描思路。三維掃描儀通過(guò)掃描這些標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行面與面的自動(dòng)拼接,依次掃描,直到將工件完整掃描得到全部數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖1 汽車(chē)外拉手正面標(biāo)志點(diǎn)

圖2 汽車(chē)外拉手背面標(biāo)志點(diǎn)

圖3 放置在掃描儀二維轉(zhuǎn)盤(pán)上的汽車(chē)外拉手

圖4 掃描生成的汽車(chē)外拉手點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.2 汽車(chē)外拉手的曲面造型生成

利用RapidForm來(lái)生成汽車(chē)外拉手的曲面造型過(guò)程如下：(1)導(dǎo)入模型。打開(kāi)RapidForm，用插入→共享數(shù)據(jù)→子文件的命令來(lái)插入之前處理的汽車(chē)外拉手面片模型。(2)劃分領(lǐng)域組。(3)創(chuàng)建基準(zhǔn)平面。(4)對(duì)齊坐標(biāo)系。(5)利用面片擬合命令創(chuàng)建汽車(chē)外拉手的主要大曲面,調(diào)整參數(shù),使擬合的曲面精度滿足要求。(6)利用曲面剪切、曲面合并、曲面拉伸、曲面放樣等功能對(duì)擬合面片進(jìn)行處理，得到汽車(chē)外拉手的主體模型重建。(7)通過(guò)實(shí)體拉伸、剪切等命令進(jìn)行模型的非自由曲面特征的創(chuàng)建。(8)對(duì)建立的各部特征進(jìn)行最終擬合,得到最后的實(shí)體，如圖5所示。

圖5 建模

2 UG NX10.0數(shù)控加工

UG NX10.0是機(jī)床數(shù)控編程常用的軟件之一，廣泛應(yīng)用于數(shù)控加工制造領(lǐng)域。數(shù)控加工主要有以下幾個(gè)步驟：

2.1 建立加工模型

將RapidForm軟件修剪好的汽車(chē)外拉手零件模型以PRT格式輸入到GU NX10.0軟件里，調(diào)整零點(diǎn)坐標(biāo)位置，方便以后對(duì)其進(jìn)行數(shù)控加工。

2.2 確定加工工藝

在汽車(chē)外拉手的零件模型完成后，結(jié)合加工表面的特點(diǎn)和數(shù)控設(shè)備的功能特點(diǎn)確定汽車(chē)外拉手的數(shù)控加工工藝，選擇刀具以及切削用量，確定加工順序和工藝。

(1)加工工藝

粗銑汽車(chē)外拉手表面，如圖6所示。

圖6 粗銑

半精加工汽車(chē)外拉手，如圖7所示。

圖7 半精加工

精加工汽車(chē)外拉手，如圖8所示。

(2)刀具路徑的生成與驗(yàn)證

在生成刀具軌跡時(shí)，需要選擇合適的加工對(duì)象、合適的刀具材料和類(lèi)型，同時(shí)還有合適的加工參數(shù)。生成的刀具軌跡如圖9所示。刀具軌跡生成后，需要進(jìn)行刀具軌跡仿真，驗(yàn)證刀具軌跡的合理性[3]。UG NX10.0具有自動(dòng)驗(yàn)證刀具軌跡的功能，避免刀具的干涉、過(guò)切等現(xiàn)象。

圖8 精加工

圖9 刀具軌跡生成

2.3 加工代碼的輸出

經(jīng)NX10.0生成的加工工序，可以通過(guò)以太網(wǎng)直接輸入數(shù)控機(jī)床[4]，或通過(guò)DNC(Distributed Numerical Control)方式直接加工。加工后的零部件如圖10所示。

圖10 數(shù)控加工后的汽車(chē)外拉手

3 結(jié)束語(yǔ)

在逆向工程數(shù)據(jù)處理、曲面擬合、特征識(shí)別、專(zhuān)用軟件和三維掃描儀的開(kāi)發(fā)方面都已經(jīng)取得很大的進(jìn)步，并且逐步趨于成熟。但是在實(shí)際操作中，操作者的經(jīng)驗(yàn)是一個(gè)很重要的因素，經(jīng)驗(yàn)豐富的操作者，修補(bǔ)模型可以做到順滑和精確。所以逆向工程一直是一個(gè)十分活躍的研究方向。

作者主要講述了汽車(chē)外拉手的數(shù)據(jù)采集、應(yīng)用軟件對(duì)采集到的模型進(jìn)行修補(bǔ)、然后對(duì)修補(bǔ)好的模型進(jìn)行數(shù)控加工的逆向設(shè)計(jì)過(guò)程，并且取得了滿意的效果。可逆技術(shù)已成為產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中各種先進(jìn)技術(shù)的聯(lián)系紐帶，成為消化吸收、產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要手段。