反求工程技術在損壞或破壞零件修復中的應用與數控加工

王亮德，劉玉美

(濱州職業學院，山東濱州256603)

傳統修復零件的方法很多，目前應用較多的是數控加工配合電火花工藝完成修復。而數控加工必須要以精確的產品資料如產品結構圖為基礎。對于部分待修復的零件，這方面的資料往往不全，甚至沒有任何資料，工程技術人員在修復時只能用簡單的工具邊測量尺寸邊修復零件，這勢必造成很大的誤差，尤其對于形狀復雜的零件更是束手無策。逆向工程技術為這一難題提供了一個一體化的解決方案:待修復的復雜零件→數據模型→修復的零件，這是一個高效的三維加工路線。

在此研究中，采用了兩個不同的實例，每個被檢測零件表面都有損壞或破壞，如圖1所示:凸輪的邊緣已經損壞;藝術塑像從模型中取出后，表面就有凹痕或缺口。這些被損壞的部分可以通過獲取CAD 數字模型修復，然后將CAD模型傳送到Pro/Engineer軟件的CAM模塊，生成G代碼并模擬仿真，最后由數控機床加工出真實的零件。

圖1 零件破損和損壞區域

1 CAD模型的產生

1.1 CMM測量與生成數據點云

系統的構成主要包括:三坐標測量機、探測頭、控制單元和PC。這次應用的是D.E.A Scirocco 橋式CMM，用Renishaw PH9 裝配接觸式探測頭，主要軟件是野火版Pro/Engineer CAD/CAE/CAM 集成系統、PC-DMIS測量軟件以及PC機上的Windows NT 操作系統。

被測零件表面被損壞或破壞的區域如圖1所示。零件的物理模型通過CMM的3 mm 直徑的探測頭進行掃描(見圖2)，CMM 所測的接觸點的數據是根據測量表面觸點的曲率半徑的變化而確定的。測量的結果是一個適當的數據形式，而非相似數據，這在下一步的處理中是必須的。

圖2 用CMM 進行掃描測量損壞零件

1.2 測量點的處理過程

CMM輸出的數值就是被測點的中心在x、y 和z軸方向的向量值，輸出點的格式與CAD模型的要求不一致。因此輸出的測量數據格式必須轉換成Pro/Engineer軟件可以接受的格式，才可以處理數據直接生成零件的模型。

1.3 零件3D CAD模型的產生與誤差調整

轉換了測量數據的模型格式后，可以直接生成應用于Pro/Engineer CAD/CAE/CAM軟件的格式。在CAD模型中，模擬零件表面需要通過獲得的數字化點云定義零件的表面特征。表面特征包括連續表面和邊界。從自由形態模擬測量的數據產生CAD模型的方法有兩種:第一種方法稱為曲線模型，在這種方法中，構成曲線首先由測量數據產生，也就是說由構成曲線網格產生曲面;另一種方法稱為表面模型，表面直接由所測得點云產生。

其次，將PC-DMIS 中產生的模型導入到Pro/Engineer 野火版CAD/CAM軟件中，最終將表面模型在Pro/Engineer軟件中修改為實體模型。

有兩種原因導致了所獲得表面模型存在誤差:由于敏感掃面最初的點云和曲線可能產生錯誤，而必須用許多點來構成真實的表面，但是電腦以及程序存儲不足以獲取所有的數值，在掃描時就將零件表面分成眾多很小的區域，并被定義為一個個的文件，最終它們又根據同一坐標軸重新拼合。因此，不可避免會造成誤差的產生。利用現有的表面通過特征逼近的方式可以重構不完整的區域，如圖3。

圖3 藝術塑像的3D-CAD模型的產生步驟

1.4 實例研究

以藝術塑像的修復為例，具體步驟如下:

步驟1，藝術塑像表面數字化。通過CMM 逐點掃描零件表面，也就是說按照掃描的方向取點。為了獲得最好的點云，必須規劃好所測量的路徑。路徑的選擇與3D 數字模型密切相關，它直接影響到3D模型的質量。

步驟2，點云的處理。點云的處理是逆向工程關鍵的一步，其結果直接影響到重構模型的質量。

步驟3，表面處理。由掃描獲得數據結合表面特征，需要經過由點到曲線、由曲線到曲面、由曲面到實體的處理過程，并最終生成三維模型。

點的處理過程。由于半身塑像表面比較復雜，計算機及軟件不能儲存所有點的數值，整個模型不能只靠單一的表面數值產生近似表面，點云的預處理一般需要細分為許多部分，通過數值的細分，可以使點云的數值處理變得簡單，精確程度也會提高，數據交疊的點將被刪除。

曲線處理。逆向工程的目標就是產生精確、光滑的曲線和表面，每一條曲線可以直接由具有不同法矢的數據點生成，其結果是表面會更光滑、實體重構會更容易。

曲面的產生。曲面可以通過曲線網格結構模型獲取，如圖3所示。

步驟4，減少模型誤差。將零件錯誤的曲面刪掉，新的曲面通過曲面路徑的方法獲取，由于損壞而失去的幾何形狀可以通過圖3所示的方式獲取。

步驟5，產生3D模型。表面模型可以在Pro/Engineer 野火版中轉化為實體模型，如圖3所示。

2 CAD模型數控刀具路徑的連續性效應評價

等參照線一般作為表面質量的技術指標，反射線或者強光突出線反映出的問題很容易被等參照線捕獲，因為它們對表面法線的變化非常敏感。一個好的表面質量的特點是具有良好的等參照線。它是一個反應最初規律的工具，但是不能很好地反應曲率。需要特別注意的是光線方向的選擇，如果N(u，v)是一個參數化的表面，L是平行光線，那么等參照線的給定條件為:

作者用等參照線分析功能，對已修復表面和原有表面進行連續性分析，光滑的等參照線和反射線必定會產生光滑的曲面。如圖4所示。

圖4 重構零件表面的反射線和等參照線分析

3 產生CNC程序和刀具軌跡

NC 加工工藝對加工表面有著特殊的要求，銑床對加工表面曲率半徑的大小有一定的限制。在CAD/CAM 環境下進行數控加工時，如果模型表面缺乏高度的連續性，當刀具從一條切削軌跡轉到另一條軌跡時，會導致切削速度的急劇變化，這種變化會在銑削加工過程中造成不良的震顫效果，這不僅影響表面切削質量，同時也影響切削刀具的壽命，因此應該最大限度地減少這種不良的效果，特別是復雜的曲面，應保證刀具軌跡在加工過程中的連續性。在零件實體模型產生后，就可以進行數控加工工藝規劃并產生用于機械加工的剪裁部位的數據，通過后置處理產生加工程序，最終依照產生的CAD模型加工出零件，銑削順序和軌跡代碼(G代碼)可以在Pro/MANUFACTURE模塊產生。如圖5和圖6所示。

圖5 生成頭像的刀具路線與實際加工

圖6 凸輪刀具路線與實際加工

圖7 影響數控刀具軌跡的連續性曲面片

4 結束語

通過以上實例可以看出逆向工程是一項開拓性、實用性很強的技術，它不僅消化和吸收實物原型，并且能修改再設計以制造出新的產品，逆向工程極大地提高了零件的制造精度，尤其對于復雜曲面零件，并且是在缺乏原始資料的情況下，其優勢更是顯而易見的。

【1】YIN Zhongwei，JIANG Shouwei.Iso-phote Based Adaptive Surface Fitting to Digitized Points and Its Applications in Region-based Tool Path Generation，Slicing and Surface Triangulation[J].Computers in Industry，2004，55(1):15－28.

【2】LIN Y，WANG C，DAI K.Reverse Engineering in CAD Model Reconstruction ofCustomized Articial Joint[J].Medical Engineering ＆ Physics，2005，27(2):189－193.

【3】MOTAVALLI S.Review of Reverse Engineering Approaches[J].Computers and Industrial Engineering，1998，35(1/2):25－28.

【4】張寶歡，史春濤，王濤，等.復雜曲面重建技術應用[J].機械設計，2005(7):60－62.

【5】潘建新.逆向工程技術在模具修復中的應用[J].機械研究與應用，2009(3):55－57.

【6】黃誠駒.逆向工程項目式實訓教程[M].北京:電子工業出版社，2004:12－13.

【7】劉德平，陳建軍，李道軍，等.模具實體設計中的逆向工程技術[J].工具技術，2006(7):39－42.

【8】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(8):118－120.