石磊

摘要：隨著計算機技術(shù)的不斷成熟，CADCAM技術(shù)在產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計與制造過程中已成為重要的方法與手段。在現(xiàn)代產(chǎn)品的實際開發(fā)設(shè)計與制造過程中，很多情況下，技術(shù)人員接收的并不是產(chǎn)品的三維CAD模型，而是客戶或廠家提供的產(chǎn)品實物樣件模型。這就需要技術(shù)人員通過一定的方法與途徑，將這些實物樣件模型轉(zhuǎn)化成三維CAD模型，使其能夠應(yīng)用CADCAM技術(shù)進(jìn)行分析、處理以及制造。本文以UG軟件為支撐平臺，介紹了三維建模數(shù)字化設(shè)計與制造的全過程，體現(xiàn)了產(chǎn)品從三維模型數(shù)據(jù)采集→三維建?！鷶?shù)控加工編程與仿真→數(shù)控加工的整個過程，使產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計與制造水平有一定提高。

關(guān)鍵詞：逆向工程;數(shù)字化設(shè)計與制造;CADCAM技術(shù);數(shù)控加工

0 ?引言

隨著計算機技術(shù)的不斷成熟以及先進(jìn)制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，CADCAM技術(shù)在產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計與制造過程中已成為重要的方法與手段，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、模具、通用機械、工業(yè)設(shè)備等高科技現(xiàn)代化制造業(yè)中。在現(xiàn)代產(chǎn)品的實際開發(fā)設(shè)計與制造過程中，很多情況下，技術(shù)人員接收的并不是產(chǎn)品的三維CAD模型，而是客戶或廠家提供的產(chǎn)品實物樣件模型。這就需要技術(shù)人員通過一定的方法與途徑，將這些實物樣件模型轉(zhuǎn)化成三維CAD模型，使其能夠應(yīng)用CADCAM技術(shù)進(jìn)行分析與處理，這種通過一定手段復(fù)現(xiàn)實物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)字模型的技術(shù)被稱為“逆向工程”。

“逆向工程”，又稱反求工程或反向工程，是指用一定的測量手段對實物或模型進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法，重構(gòu)實物的CAD模型，從而實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計與制造的過程。本文以UG軟件為支撐平臺，介紹了三維建模數(shù)字化設(shè)計與制造的全過程，即采用三維掃描儀采集汽車模型點云數(shù)據(jù)，通過Geomagic軟件對掃描的點云數(shù)據(jù)自動生成數(shù)字模型，對數(shù)字模型處理完成后，在UG環(huán)境下實現(xiàn)對數(shù)字模型逆向建模，并使用UG數(shù)控加工編程模塊對產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)控編程與仿真，生成加工程序及使用數(shù)控機床進(jìn)行數(shù)控加工，體現(xiàn)了產(chǎn)品從三維模型數(shù)據(jù)采集→三維建模→數(shù)控加工編程與仿真→數(shù)控加工的整個過程，使產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計與制造水平有一定提高。

1 ?汽車模型的數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理

1.1 數(shù)據(jù)采集

所謂數(shù)據(jù)采集，是通過測量設(shè)備把產(chǎn)品表面轉(zhuǎn)化成離散的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)的過程，得到數(shù)據(jù)后經(jīng)過一定處理即可進(jìn)行建模。因此掃描數(shù)據(jù)的精確程度直接影響建模精度，所以采集高精度的數(shù)據(jù)對提高建模精度及工作效率非常重要。不同的測量方法決定著測量的精度，按數(shù)據(jù)獲取方式分，可將測量數(shù)據(jù)方法分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式主要應(yīng)用三坐標(biāo)測量機進(jìn)行測量;而非接觸式主要應(yīng)用光學(xué)測量系統(tǒng)，來快速測量被測物體表面的幾何數(shù)據(jù)，是一種快捷有效的快速測量方法。本文中汽車模型的點云數(shù)據(jù)來自德國Comet L3d-5M三維掃描儀。Comet L3d-5M三維掃描儀是一款高性能的三維掃描設(shè)備，采用非接觸式測量原理，對汽車模型進(jìn)行掃描，并生成點云數(shù)據(jù)，圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

點云數(shù)據(jù)預(yù)處理是重構(gòu)產(chǎn)品CAD模型之前的一項重要技術(shù)環(huán)節(jié)，它直接影響到后續(xù)模型重建過程能否準(zhǔn)確地、快速地、順利地完成。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要的工作內(nèi)容包括：點云數(shù)據(jù)的定位對齊、點云的過濾及噪聲點去除、點云數(shù)據(jù)的平滑與過渡、點云數(shù)據(jù)的精簡和數(shù)據(jù)分割等。本文中使用Geomagic studio2012逆向工程軟件對生成的汽車點云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，獲得理想的點云數(shù)據(jù)以及光滑、精確的反求曲面，將大量層疊的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為曲面，以便于后續(xù)建模軟件能夠?qū)崿F(xiàn)快速構(gòu)建模型。圖2所示，為汽車模型預(yù)計處理后的理想點云數(shù)據(jù)。

2 ?基于UG逆向工程的三維數(shù)字化建模

由于在產(chǎn)品后續(xù)的虛擬制造仿真、加工制造、CAE分析和產(chǎn)品再設(shè)計及快速成型制造中都需要三維CAD模型作為支撐，因此三維CAD模型重構(gòu)在逆向工程中是一個最關(guān)鍵、最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。三維CAD模型重構(gòu)的主要步驟是：首先根據(jù)幾何特征對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，再分別對各曲面進(jìn)行擬合處理，然后通過曲面相交、過渡、裁剪、倒圓等手段，把多個曲面縫合為一個整體，即重建的CAD模型。其實質(zhì)就是將離散的數(shù)據(jù)點集構(gòu)造成光滑、連續(xù)的CAD模型。

通常在產(chǎn)品的實際設(shè)計中，曲面由單張曲面構(gòu)成的情況很少，多數(shù)產(chǎn)品的設(shè)計都是由多張曲面混合而成，因此在曲面構(gòu)建之前，應(yīng)要先考慮生成哪種曲面，如何生成更準(zhǔn)確、更光順的曲面，曲面的精度應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計需要來決定，而并非精度越高越好。構(gòu)造曲面時，通常先根據(jù)產(chǎn)品外形要求，建立用于構(gòu)造曲面的邊界曲線，或根據(jù)實物模型測量的數(shù)據(jù)點生成曲線，再使用UG提供的各種曲面構(gòu)造方法進(jìn)行構(gòu)造曲面。對于簡單曲面可一次完成建模，但實際產(chǎn)品的形狀往往較為復(fù)雜，應(yīng)采用曲線構(gòu)造方法生成大面積的主要片體后，再進(jìn)行曲面的過渡連接、光順處理、曲面編輯等方法完成整體造型。本文以汽車模型為例介紹UG三維建模的方法與過程。

首先，擬合汽車曲面片體。在UG建模環(huán)境下通過導(dǎo)入操作導(dǎo)入汽車模型預(yù)處理后的理想點云→然后打開“反向工程”模塊，選取“小平面體曲率”點擊小平面體→選擇“剪斷”命令剪斷小平面體，將藍(lán)區(qū)剪斷形成一個新的小平面體→選擇“擬合曲面”命令，將剪斷部分?jǐn)M合成一個完整片體，該步驟重復(fù)操作即完成整個汽車模型的曲面片體。

然后，繪制樣條曲線。在“曲線”模塊下，找到“截面曲線”命令→通過“樣條曲線”命令，以點位為主，參考實際點云，繪制完整、光順的相互之間存在鏈接的樣條曲線。

最后，建立曲線網(wǎng)格，縫合實體。在“曲線”模塊下，選擇“曲線網(wǎng)格”命令→選取已完成的樣條曲線作為主曲線和截面線，生成曲面→通過“縫合”命令，選擇各個曲面進(jìn)行縫合，縫合后的效果如圖3所示。

3 ?基于UG數(shù)字化制造對汽車模型進(jìn)行數(shù)控加工仿真

數(shù)字化制造簡單地說就是利用計算機專用軟件生成零件的加工程序，然后通過一定的控制介質(zhì)，如U盤、串行通信接口或計算機網(wǎng)絡(luò)把加工程序傳送到數(shù)控系統(tǒng)中，經(jīng)過數(shù)控裝置將零件的加工程序轉(zhuǎn)化為數(shù)控機床所能識別的脈沖信號，來控制數(shù)控機床對零件進(jìn)行數(shù)控加工的過程。

3.1 確定加工基準(zhǔn)

加工基準(zhǔn)的應(yīng)盡量遵循基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，并考慮實際加工情況，如毛坯的確定應(yīng)基于實測毛坯尺寸，以減少程序空行程，盡量節(jié)約加工時間，盡可能優(yōu)化刀具軌跡。本文中汽車模型的毛坯尺寸為150×100×50mm（磨平），材料為硬鋁，加工中采用平口鉗進(jìn)行裝夾，因此，加工基準(zhǔn)選擇在零件對稱中心與頂平面的交點位置，以便于加工過程中工件的找正與對刀。

3.2 確定汽車模型的數(shù)控加工工序

根據(jù)汽車模型的幾何結(jié)構(gòu)特性和精度要求，可根據(jù)加工表面按粗精加工的方法劃分加工工序，工序卡如表1所示。

3.3 ?確定汽車模型的數(shù)控加工方法并生成刀具軌跡

粗加工時，盡量選擇較大的切削深度、較大的進(jìn)給量，選用？準(zhǔn)16R0.8mm立銑刀，采用（CAVITY_MILL型腔銑）加工命令粗加工汽車外輪廓，設(shè)置切削深度0.3mm，進(jìn)給速度1100mm/min，主軸轉(zhuǎn)速1800r/min，各面預(yù)留0.15mm精加工余量，生成粗加工刀具軌跡如圖6所示。

精加工時，根據(jù)待加工表面的特點，選擇不同的加工命令。采用（ZLEVEL_PROFILE深度輪廓加工）加工命令，精加工陡峭區(qū)域，選用R4mm硬質(zhì)合金球頭刀，設(shè)置切削深度0.2mm，進(jìn)給速度1200mm/min，主軸轉(zhuǎn)速2800r/min，加工汽車側(cè)面陡峭部分，生成刀具軌跡。

采用（FIXED_CONTOUR固定輪廓銑）加工命令，精加工平緩區(qū)域，選擇R4mm硬質(zhì)合金球頭刀，設(shè)置步距 0.2mm，進(jìn)給速度1200mm/min，主軸轉(zhuǎn)速2800r/min，加工汽車頂面平緩部分，生成刀具軌跡。

采用（FLOOR_WALL底壁加工）加工命令，選擇？準(zhǔn)10mm平底立銑刀，設(shè)置進(jìn)給速度500mm/min，主軸轉(zhuǎn)速2000r/min，精加工底平面，生成精加工刀具軌跡。

3.4 數(shù)控加工仿真

按照數(shù)控加工工藝的基本原則，為保證編制的加工程序能符合零件的技術(shù)要求，盡量避免在編制程序過程中出現(xiàn)的錯誤而導(dǎo)致零件或刀具造成損壞或報廢的結(jié)果，有必要在數(shù)控加工編程之后，對數(shù)控加工程序進(jìn)行模擬仿真。數(shù)控加工仿真可以通過軟件模擬加工環(huán)境、刀具路徑以及材料切除過程，從而來檢驗并優(yōu)化加工程序。經(jīng)過計算機仿真加工驗證的刀具軌跡，可取代試切加工或試運行過程，或大大縮短產(chǎn)品研制周期，降低制造成本，并且可避免加工過程中設(shè)備與零件及夾具等的碰撞，保證加工過程的安全性。

首先進(jìn)行工藝系統(tǒng)分析，明確機床系統(tǒng)及型號、機床結(jié)構(gòu)形式和尺寸、機床運動原理和機床坐標(biāo)系，然后進(jìn)行準(zhǔn)確定位，最后設(shè)置機床參數(shù)。將零件模型變換到加工位置計算出刀具軌跡，再以此軌跡進(jìn)行切削過程、刀位軌跡及機床運動的三維動態(tài)仿真。這樣就能夠清楚的監(jiān)控到零件加工過程中的過切與欠切、刀桿及聯(lián)接部件與零件、機床各運動部件與零件及夾具間的干涉碰撞情況，從而保證了數(shù)控編程的質(zhì)量，減少了試切的工作量及勞動強度，提高了編程的一次性成功率，縮短了產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)的周期，大大提高了生產(chǎn)率，圖4所示，為汽車模型數(shù)控加工仿真效果圖。

3.5 數(shù)控加工程序后置處理

后置處理是數(shù)控編程的一個重要環(huán)節(jié)，它將仿真加工生成的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實際加工時機床所識別的數(shù)據(jù)。后置處理最基本的兩個要素就是程序數(shù)據(jù)和后置處理器。首先了解加工時所使用的三坐標(biāo)數(shù)控鏜銑床的結(jié)構(gòu)、機床附件、機床具備的功能及實現(xiàn)這些功能的方式和機床配備的數(shù)控系統(tǒng);熟悉該數(shù)控系統(tǒng)的編程規(guī)則，包括功能代碼的組成、指令格式及各參數(shù)含義等;然后使用UG軟件的后置處理器導(dǎo)向模塊，將程序進(jìn)行編譯，并轉(zhuǎn)換成可控制機床加工的NC代碼，如圖5所示。

4 ?汽車模型的數(shù)控加工過程

本文中汽車模型的加工使用如圖12所示的FANUC系統(tǒng)加工中心。具體加工過程如下：

4.1 數(shù)控加工前準(zhǔn)備工作

首先，機床開機及返回參考點。機床通電、松開急?！鶻、Y、Z軸返回參考點，通常先回Z軸再回X、Y軸。返回參考點后，移動機床避免工作臺長時間處于極限位置，并將工作臺調(diào)整到適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

其次，工件裝夾與找正。根據(jù)工件尺寸及形狀，我們采用平口鉗進(jìn)行裝夾，裝夾前先使用百分表對平口錯進(jìn)行找正，再用墊鐵配合平口鉗對工件進(jìn)行裝夾。

然后，安裝刀具及對刀。將工件原點選擇在工件對稱中心與上表面交點位置，使用尋邊器對X、Y方向?qū)Φ?，使用Z軸對刀儀對Z方向?qū)Φ叮Φ吨荡嫒隚54工件坐標(biāo)系中。

4.2 數(shù)控加工程序編程與校驗

通過U盤將UG后置處理完成的加工程序?qū)霐?shù)控系統(tǒng)，并對程序進(jìn)行模擬檢驗，無誤后準(zhǔn)備加工。

4.3 工件的數(shù)控加工

程序經(jīng)檢驗合格后，根據(jù)工序安排的內(nèi)容對工件進(jìn)行自動加工，首先對工件進(jìn)行粗加工，然后精加工汽車模型側(cè)面陡峭部分和汽車模型頂面平緩部分，最后精加工底平面完成整個汽車模型的加工，加工后效果如圖6所示。

5 ?結(jié)束語

本文以UG軟件為支撐平臺，采用三維掃描儀采集汽車模型點云數(shù)據(jù)，通過Geomagic軟件對掃描的點云數(shù)據(jù)自動生成數(shù)字模型，對數(shù)字模型處理完成后，在UG環(huán)境下對數(shù)字模型實現(xiàn)了逆向建模，使用UG數(shù)控加工編程模塊對產(chǎn)品進(jìn)行了數(shù)控編程與仿真，并生成加工程序，最后使用數(shù)控機床對工件進(jìn)行數(shù)控加工，整個過程從三維模型數(shù)據(jù)采集→三維建?！鷶?shù)控加工編程與仿真→數(shù)控加工，體現(xiàn)了逆向工程在產(chǎn)品三維數(shù)字化設(shè)計與制造中的實際應(yīng)用性。

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