任艷霞,陳昌鐸,丁 剛,苗雅麗,秦國防,孫海燕, 李秀副

(1.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系,河南 濟(jì)源 459000;2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 南陽 473000)

0 引言

逆向工程是一門集CAD、激光、精密機(jī)械、數(shù)控及圖像采集與處理為一體的新技術(shù),在工業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景,可以給現(xiàn)代拖拉機(jī)零部件的設(shè)計(jì)和制造帶來巨大變化。所謂逆向工程,就是將拖拉機(jī)零部件實(shí)物通過各種測量手段及三維幾何建模方法轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)上的三維數(shù)字模型的過程,即將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ?進(jìn)而制造出同類新產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)和幾何模型的重建技術(shù)。建模完成后,可以利用UG仿真軟件對產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)控加工的仿真模擬,進(jìn)一步對產(chǎn)品的形狀進(jìn)行優(yōu)化,在產(chǎn)品未試制之前便可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 拖拉機(jī)復(fù)雜零件的逆向建模技術(shù)

逆向建模最常用的工具是三坐標(biāo)測量機(jī),可以將復(fù)雜的拖拉機(jī)零部件轉(zhuǎn)換為幾何形狀,并且測量過程完全可以由計(jì)算機(jī)控制。隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)在的自動測量機(jī)可以根據(jù)零件的形狀來自主規(guī)劃測量路徑,并且與CAD/CAM軟件系統(tǒng)進(jìn)行一體化集成。自動測量機(jī)利用當(dāng)前先進(jìn)的傳感器器件,結(jié)合自身精密的機(jī)構(gòu),利用計(jì)算機(jī)技術(shù)可以對齒輪、凸輪和蝸輪蝸桿等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量方式只能采用專門的工具,而三坐標(biāo)測量機(jī)不需要采用特殊的設(shè)備便可以完成復(fù)雜零部件的測量。

工件測量的步驟如圖1所示。測量對象按照形狀可以分為兩類:一類是形狀規(guī)則的零件,另一類是復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)。對于復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu),在測量時(shí)需要對輪廓進(jìn)行測量。測量時(shí),在零件表面采集一系列的點(diǎn),然后通過曲線和曲面建模技術(shù)對點(diǎn)進(jìn)行擬合,計(jì)算出任意點(diǎn)的幾何特征,通過測量最終得到零部件的表面形狀和尺寸數(shù)據(jù)。

拖拉機(jī)零部件的逆向建模過程和制造主要分為5個(gè)步驟,包括零件采用、表面數(shù)字化、重構(gòu)曲面、分析誤差、CAD/CAM系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)及加工制造等,如圖2所示。在加工制造之前,需要對誤差進(jìn)行不斷的修正。誤差的修正采用反饋調(diào)節(jié)的方式,當(dāng)發(fā)現(xiàn)誤差較大時(shí),可以采用不同的建模方式對曲面進(jìn)行重構(gòu),直到測量曲面和原始曲面的誤差最小。

2 基于UG的建模和數(shù)控加工仿真技術(shù)

UG是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造的交互式系統(tǒng),功能非常強(qiáng)大,不僅可以設(shè)計(jì)各種復(fù)雜的零件曲面造型,而且可以根據(jù)零部件的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)加工和工藝編程,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工工藝的優(yōu)化。UG軟件的誕生主要是采用工作站,但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,UG軟件可以輕松地在各種PC機(jī)上運(yùn)行,零件建模非常方便,軟件的編程能力也很強(qiáng)大。

在進(jìn)行拖拉機(jī)復(fù)雜零部件的逆向建模和數(shù)控加工時(shí),可以通過前期的三維坐標(biāo)測量得到零部件的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。由于拖拉機(jī)復(fù)雜零部件的形狀一般都是曲面形狀,在型面的表面存在很多凹凸的結(jié)構(gòu),曲面是由曲線構(gòu)成的,因此在進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)需要對曲線進(jìn)行插補(bǔ)才能實(shí)現(xiàn)曲面的加工過程。在得到零部件的初步形狀后,可以采用曲線插補(bǔ)的方法進(jìn)行數(shù)控加工,其流程如圖3所示。

通過零件的逆向建模,可以得到零部件的初步形狀,在進(jìn)行曲線插補(bǔ)時(shí)還需要對零件的形狀進(jìn)一步的分析。在實(shí)際的數(shù)控加工過程中,刀具的運(yùn)行主要是通過脈沖增量來驅(qū)動的,刀具是直線行走的,如果要加工曲線,還需將曲線離散成密集的點(diǎn),利用曲線插補(bǔ)來實(shí)現(xiàn)刀具的曲線行走。為了實(shí)現(xiàn)較高的加工精度,實(shí)現(xiàn)自由曲線的插補(bǔ),可以采用 B樣條NURBS,其公式為

(1)

(2)

其中,Vi為控制點(diǎn)坐標(biāo);Wi為權(quán)重系數(shù);k為曲線的級數(shù);Nik(u)為基底函數(shù),Ri,k(u)為有理式基底函數(shù)?；缀瘮?shù)還需要滿足

(3)

其中,ui為節(jié)點(diǎn)。

組成的節(jié)點(diǎn)向量可以表示為

U=[u0,u1,…,um]

(4)

圖3 曲線插補(bǔ)加工過程

在數(shù)控加工時(shí),需要根據(jù)加工速度來確定下一個(gè)加工位置。一般來說,在加工NURBS曲線時(shí),參數(shù)和曲線上的點(diǎn)是一一對應(yīng)的,因此在插補(bǔ)過程中也就是求解ui的過程。將曲線進(jìn)行微分后,可以得到

(5)

則

(6)

注意,式(6)中的曲線速度V′(t) 不是進(jìn)給速度V(t),當(dāng)插補(bǔ)周期足夠小時(shí)可以認(rèn)為相同。根據(jù)微分幾何,可以得到

(7)

則

(8)

將式(8)展開成泰勒級數(shù),即

(9)

其中,ti+1-ti=T是插補(bǔ)周期,由此可以求出ui+1;根據(jù)ui+1的數(shù)值,可以得到伺服電機(jī)需要驅(qū)動的參數(shù),實(shí)現(xiàn)曲線的插補(bǔ)過程。通過曲線插補(bǔ),可以得到加工曲線,所有曲線的集合即為拖拉機(jī)輔助零部件的加工曲面。

3 拖拉機(jī)復(fù)雜零部件數(shù)控加工仿真

采用逆向建模技術(shù)可以得到拖拉機(jī)的零件模型,然后將模型導(dǎo)入到UG軟件中對零部件進(jìn)行數(shù)控加工的仿真。零件的逆向建模以一個(gè)曲面為例,三維坐標(biāo)測量時(shí)可以獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù),可以生成一系列的曲線。在構(gòu)造曲面時(shí),如果無法自動生成曲面或者曲面的質(zhì)量較差,可以補(bǔ)充一些曲線來協(xié)助完成曲面的創(chuàng)建。

按照圖4的點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過逆向建模可以得到如圖5所示的曲面。曲面創(chuàng)建完成后,采用UG軟件分析檢查模塊ANALYZE或?qū)ι傻那嬷?檢查曲面的曲率。當(dāng)存在曲面不光順等質(zhì)量問題時(shí),還可以通過切片的方法對零部件的曲面進(jìn)行重構(gòu),直到曲面的形狀和原零部件的形狀一致,再設(shè)計(jì)產(chǎn)品的其他部分的曲面。

完成逆向建模的曲面后,最后進(jìn)行模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以添加加強(qiáng)筋、安裝孔等,通過裝配完成曲面模型。模型創(chuàng)建完成后,可以模擬零件的數(shù)控加工過程,在UG軟件中可以直接創(chuàng)建工序,如圖6所示。

圖4 測量后得到的點(diǎn)云模型

圖5 逆向建模得到的曲面模型

圖6 工序創(chuàng)建示意圖

在UG軟件中,工序可以自動創(chuàng)建,也可以以編程的方式創(chuàng)建,編程代碼可以直接導(dǎo)入。刀具庫中有多種刀具,可以創(chuàng)建不同需求的加工工序。

圖7 工序參數(shù)修改示意圖

對工序創(chuàng)建完成后,還可以對工序的參數(shù)進(jìn)行修改,如加工進(jìn)給速度、主軸的轉(zhuǎn)速、和切削用量等;完成后點(diǎn)擊確定,可以生成刀具軌跡以及加工后的產(chǎn)品模型。工序參數(shù)修改示意圖如圖7所示。

通過逆向建模和數(shù)控加工仿真,可以得到零件的最終加工成品。在進(jìn)行零部件的設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)成品的形狀對產(chǎn)品進(jìn)一步優(yōu)化,并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真,對產(chǎn)品的性能進(jìn)行優(yōu)化。模擬仿真加工出的工件如圖8所示。

圖8 模擬仿真加工出的工件

4 結(jié)論

為了提高拖拉機(jī)零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率,引入了逆向建模和數(shù)控加工仿真技術(shù),采用數(shù)字化方法實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造。為了驗(yàn)證方案的可行性,通過逆向建模方法建立了農(nóng)機(jī)零部件的三維模型,并采用UG軟件模擬了零部件的數(shù)控加工過程,得到了拖拉機(jī)零部件的初步產(chǎn)品。該方法可以在無需試制產(chǎn)品的條件下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的初步優(yōu)化,對于提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和加工效率都具有重要的意義。