工業產品數字化設計及數控加工應用范文

本站小編為你精心準備了工業產品數字化設計及數控加工應用參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：通過逆向設計與數控加工相結合實現產品快速開發制造。利用產品的形狀特點，采用三維掃描儀掃描海豚零件的三維輪廓數據，應用數據處理軟件GeomagicWrap快速、高效地進行點云數據處理、多邊形模型處理；應用專用逆向軟件GemagicDesignX重構工業產品的三維實體模型，并進行誤差分析；應用SIEMENSNX軟件完成該模型的三維數控加工的程序編制，經實體驗證仿真加工確保無誤后，生成數控加工代碼，在機床上加工出產品。在工程實際中具有一定的指導和借鑒意義。

關鍵詞：逆向工程；數字化設計；三維掃描；數據處理；模型重構；數控加工

逆向工程是近幾年發展起來的先進制造技術，已廣泛應用于機械行業、航空航天、汽車、生活用品、醫學、藝術和建筑等領域。采用逆向工程的方法進行原型快速重建，在此基礎上進行設計創新、樣件加工、模具設計等快速開發制造的方法，已經成為工程技術人員快速獲取設計模型的重要手段。逆向工程是利用三維數字化測量設備測量三維實物（樣品或模型），準確、快速測得實物或者模型的三維輪廓數據，通過專業逆向軟件進行模型的重構與再設計，生成具有通用輸出格式的曲面或實體三維數字化模型，利用設計、編程軟件生成NC加工刀具路徑，或者快速原型制造系統所需的模型三維幾何數據，用于復制加工出實物或其原型的制造過程［1］。具體流程如圖1所示。本文以工業產品海豚模型為例，采用三維掃描儀測量產品的三維輪廓數據，應用逆向設計軟件Geomagic重構產品的三維模型，應用SIEMENSNX軟件對CAD模型進行數控加工編程，并模擬加工產品。

1產品的逆向設計

產品逆向設計流程：三維輪廓數據采集→點云數據處理→參數曲面重構→曲面擬合誤差分析。

1．1零件三維輪廓數據采集

實體的三維輪廓數據采集是逆向工程關鍵技術之一。三維輪廓數據采集就是使用一定的測量設備對被測實體進行數字化的過程，即用一系列離散的點來提取產品對象的曲線、曲面的三維形狀信息［2］。數據采集質量決定重構實體模型的質量，并影響最終加工產品能否真實反映原始實體模型，是整個逆向工程技術的基礎。本文的三維輪廓數據采集是利用先臨科技有限公司生產的Shining3D－Scanner系列三維掃描儀，采用光柵掃描技術，標志點全自動拼接，掃描效率較高。數據采集如圖2所示。采集要求：點云完整；雜點、噪聲點盡量少；點云分布盡量規整平滑；保留其原始特征。首先觀察物體表面亮度。物體的表面亮度對掃描工作很重要。若被掃描工件的表面具有反光特性（如金屬制品），應噴涂顯像劑。若被掃描工件的表面具有吸光特性（如黑色物體），也要噴涂顯像劑。顯像劑噴涂時距離工件約為30cm，盡可能薄且均勻。一些不反光也不吸光的物體可以直接掃描。掃描工件的表面要保證干凈，無明顯污漬，掃描時可借助支架或者橡皮泥將工件放穩再進行掃描。其次通過粘貼標志點進行工件不同視角自動拼接。為了完整掃描三維實體，三維掃描儀需要通過不同角度對工件進行拍攝獲取數據，因此，被掃描物體表面需要粘貼標志點，以便不同角度數據可以順利拼接。標志點主要是一定直徑大小的黑白同心圓點，需要根據零件的大小選擇標志點直徑。本文掃描的海豚模型幅面為100～200mm，因此選擇的是10mm直徑的標志點。標志點粘貼時要粘牢、粘平，不能有污漬，尤其黑色和白色部分要分明。標志點要盡量粘貼在平面區域或者曲率較小的曲面，盡量遠離工件邊界，不能粘貼在一條直線上，也不要粘貼對稱；一般掃描儀公共標志點至少為3個，每個面建議粘貼5～7個為宜。若是在噴有顯像劑的工件上粘貼標志點，為了避免脫落，可用棉簽沾水先擦掉要粘貼處的白色粉末，再進行粘貼，但這項操作需要技術人員具有豐富的掃描經驗，一般也可先貼標志點，再進行噴粉，最后用棉簽蘸水擦除標志點上的白色粉末。將掃描儀標定好后進行工件的掃描操作，市場上三維掃描儀一般都是通過上下面都具有旋轉功能的轉盤來旋轉工件。不論是哪種類型的三維掃描儀，都需要移動工件或移動掃描儀進行多幅掃描，產品掃描的2個角度之間通過公共標志點進行拼接，所有角度拼接完畢即可獲得工件的整體輪廓數據。掃描后的工件點云如圖3所示。圖3中共9片點云。

1．2產品點云數據處理

產品實體經過三維掃描儀掃描后，獲得代表工件特征信息的三維點云數據需要專用的逆向設計軟件進行三維模型的重構；但是如果掃描的點云數據中存在問題，就會對后續的建模產生較大影響。因此，在進行模型構建之前，需要對產品三維點云數據進行預處理，以獲得完整、正確的點云數據來進行后續的重構操作。數據處理主要有雜點去除、噪聲平滑處理、數據精簡、點云對齊等操作。本文選用的GeomagicWrap是一款專用逆向數據處理軟件，能夠快速進行上述處理工作，完成3D掃描數據到三角面片的過程，可將三角面片保存成STL模型導入后續逆向設計軟件進行模型重構。處理后的海豚產品三角面片模型如圖4所示。

1．3參數曲面重構

在獲得產品表面三維點云數據并進行點云的預處理之后，生成的多邊形模型（STL格式），表面質量較差且三角面過多，是不能直接用于機械加工或者數控加工的，因此需要根據曲面（一般為STL格式）構建出最后所需要的CAD實體模型，實體模型能作為IGES／STEP文件輸出，并輸入任何CAD／CAM系統中。重構CAD實體模型的質量既要滿足光順性的要求，又要保證精度。GeomagicDesignX是目前應用比較方便的專用逆向設計軟件，并且可以與其他三維軟件進行無縫對接，非常適合工業零部件的逆向設計。1）步驟一：領域劃分。根據產品的幾何形狀對模型劃分自動區域，通過編輯塊的面積和位置，從而更準確擬合曲面。相比其他逆向軟件，GeomagicDesignX中的“領域組劃分”模塊是最具有優勢的功能模塊，是以物體的幾何形狀、曲面特征等領域分類為形狀特征的基準［3］，根據海豚模型的結構，敏感度數值輸入10，平滑滑塊放在1／3格，結果如圖5所示。2）步驟二：坐標系建立。軟件建立坐標系的方法有3－2－1坐標系和X－Y－Z坐標系2種，即根據模型的點－線－面或者3個互相垂直的棱線構建坐標系，分析海豚模型的特征，選擇底面作為XY平面，通過繪制與底面垂直的YZ平面，進行坐標系對齊，對齊后的效果如圖6所示。3）步驟三：逆向建模。首先分析海豚產品的結構特征，通過領域的劃分，利用“曲面擬合”命令擬合海豚身體和魚尾的自由曲面，再通過“剪切曲面”命令進行修剪曲面；海豚的魚鰭可使用“基礎曲面”進行擬合修剪；海豚的尾部“3D面片草圖”獲取魚尾 的3D曲線，再使用“放樣曲面”功能獲得曲面，然后與魚身曲面進行修剪；海豚底部特征可利用“面片草圖”功能獲得曲線，以特征曲線為基礎，通過拉伸曲面進行修剪；最后進行“縫合”命令獲得三維實體，結果如圖7所示。利用GeomagicDesignX軟件右側區域的類型下方的“偏差”按鈕，軟件自動比對所建立的模型與掃描出來完成的STL模型之間的誤差分析。鼠標光標放在模型的任何一個地方都有誤差數據顯示。實體模型與掃描點云的誤差分析效果如圖8所示，綠色部分為誤差控制在±0．1mm以內的區域，可知，擬合的曲面精度合格。

2產品的數控加工

重構生成海豚產品的三維實體模型后，就可以對其進行數控加工了。模型中曲面較多且較復雜，曲面起伏變化較大，需要選定裝夾方案，設置裝夾工藝凸臺。本文選用SIEMENSNX軟件進行數控自動編程，對模型數控加工，毛坯選擇160mm×70mm×70mm，能夠通過選擇粗加工和精加工方法及刀具，模擬加工零件，并生成后處理程序，經修改后傳輸到數控機床。

2．1加工工藝流程

該零件毛坯為鋁合金材料，屬于復雜曲面類零件，為了便于區分，可將零件分成正、反面進行加工。結合SIEMENSNX軟件，對零件進行工藝性分析，編制零件的加工工藝規程（見表1）。按照加工工藝路線的安排，對零件正反面均進行粗加工、半精加工和精加工。

2．2刀具路徑生成

在SIEMENSNX軟件中，設置基準坐標系，裝夾形式以底面和兩側面為裝夾定位基準，利用精密機用虎鉗定位夾緊工件。根據機床的剛性、毛坯材料、零件結構和切削用量等創建刀具［4］。設置切削方式、每次切削深度、切削模式、加工余量、進給率和主軸轉速等相關參數，點擊生成刀具路徑軌跡。系統生成的刀具路徑軌跡如圖9所示。

2．3仿真加工及后處理

生成零件的加工路徑后，可用SIEMENSNX軟件的3D模擬切削功能來檢驗刀具路徑的正確性，仿真加工圖如圖10所示。仿真加工無誤后，可執行后處理，不同的機床能識別的數控代碼不相同，所以不同的機床必須使用不同的后置處理文件。零件的加工設備是銑削加工中心，采用西門子840D數控系統，支持DNC在線加工。點擊SIEMENSNX軟件【工序導航器】→拾取已生成的刀具軌跡→生成G代碼，選擇機床型號，修改相關參數，即可生成TXT格式的G代碼加工程序。將生成的數控程序，利用數據線或U盤輸送到數控機床，即可利用數控機床制造出海豚零件的三維實體，產品加工實物如圖11所示。

3結語

本文利用三維掃描儀獲取了工業產品海豚模型的三維輪廓數據，再通過專用逆向建模軟件GeomagicWrap和GeomagicDesignX實現了產品的CAD模型重構，并將模型導入到SIEMENSNX軟件進行了加工軌跡規劃，合理選擇了加工刀具，針對模型結構特點選擇了合理的加工工藝方法。證明了逆向數字化設計與數控加工結合作為新產品開發的必要手段，能夠實現零件快速制造，操作方法便捷，滿足逆向工程需求，其他具有復雜曲面的工業產品也可使用本方法進行快速開發制造。

參考文獻

［1］盧允娥．反求工程中復雜曲面坐標測量的建模與仿真［D］．蘭州：蘭州理工大學，2008．

［2］趙剛．基于逆向工程對安全錘的設計與數控加工［J］．機械工程與自動化，2018，4（2）：199－200．

［3］黃斌達，王琦，陳發威．復雜曲面零件的逆向建模及數控加工仿真的研究［J］．組合機床與自動化加工技術，2010（12）：97－100．

［4］王亮德．復雜曲面零件的反求建模與數控加工探討［J］．煤礦機械，2009，30（8）：118－120．

作者：高志華 劉旸 潘春生 李付克 單位：河南工業職業技術學院