逆向工程技術(shù)在食品機(jī)械中的運(yùn)用

李粉霞 楊潔明

（1.山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046011；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

逆向工程技術(shù)是在已有實物模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用三維掃描儀或三坐標(biāo)測量儀等先進(jìn)的測量手段，獲得測量數(shù)據(jù)。根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維數(shù)字化設(shè)計手段，對產(chǎn)品進(jìn)行重構(gòu)數(shù)學(xué)模型并制造得到新產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)，已經(jīng)成為CAD/CAM系統(tǒng)中的研究和應(yīng)用熱點，并發(fā)展成為一個相對獨立的領(lǐng)域。逆向工程技術(shù)以其周期短、成本低、效率高等優(yōu)點正逐步成為一種全新的設(shè)計思路。

“凸輪導(dǎo)槽”作為全自動餛飩機(jī)的主要部件，在機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中具有引導(dǎo)封口部件上下嚙合緊壓面片的主要作用，然而，在實際使用過程中由于磨損、沖擊頻繁，使其機(jī)構(gòu)極易損壞，而其部件的更換又往往遇到型號不匹配、價格昂貴等因素的影響。在對全自動餛飩機(jī)“凸輪導(dǎo)槽”機(jī)構(gòu)零件研制過程中，研制小組采用正向設(shè)計的思路，通過精確測量，推導(dǎo)凸輪公式曲線的方法對產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，但是，由于測量繁雜、參數(shù)誤差等因素，設(shè)計出的零件與其他機(jī)構(gòu)無法實現(xiàn)精確裝配和運(yùn)轉(zhuǎn)［1］。因此，研制小組轉(zhuǎn)而采用逆向工程的相關(guān)技術(shù)對零件進(jìn)行研制。對凸輪槽機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集策略、geomagic studio點云處理、CAXA曲面設(shè)計、曲面分析以及零件的加工工藝分析、CAXA自動編程與加工等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，旨在帶給人們一種全新的設(shè)計制造理念。

1 產(chǎn)品的逆向數(shù)字化設(shè)計與制造流程

產(chǎn)品的逆向流程見圖1。

圖1 逆向設(shè)計流程圖Figure 1 Reverse design flow chart

2 零件的數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 零件數(shù)據(jù)采集策略

零件的三維數(shù)據(jù)采集是產(chǎn)品逆向設(shè)計的關(guān)鍵步驟，是后續(xù)工作的基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、完整性是衡量采集設(shè)備的重要指標(biāo)也是保證后續(xù)工作高質(zhì)量完成的重要前提［2］。在對“凸輪導(dǎo)槽”結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上，對采集方案進(jìn)行了合理的規(guī)劃，考慮到產(chǎn)品對凸輪槽表面要求較高，在數(shù)據(jù)采集方式上采用北京三維天下有限公司生產(chǎn)的WIN3DD單目非接觸掃描儀進(jìn)行掃描；在掃描技巧上對產(chǎn)品進(jìn)行了噴粉與貼標(biāo)記點處理［3］；在掃描方式上，考慮到該產(chǎn)品特征不明顯，且對稱面不容易識別等特點，使用“拼接掃描”對各部分點云進(jìn)行自動拼接［4］。

其中，為了保證掃描策略的順利實施，標(biāo)志點的粘貼方式堅持了標(biāo)志點要盡量貼在工件的平面區(qū)域或曲率較小的曲面，以不影響特征采集；依據(jù)三點確定平面原則，標(biāo)志點不可貼在一條直線上，正、反兩面也不允許對稱粘貼；為了便于自動拼接，遵循每相鄰旋轉(zhuǎn)角度之間的公共標(biāo)志點不少于4個的原則。得到了均勻、完整、精確的點云數(shù)據(jù)，見圖2。

圖2 自動拼接掃描得到的點云Figure 2 Automatic splicing scan point cloud

2.2 點云數(shù)據(jù)處理

掃描所得的點云數(shù)據(jù)保存為.txt或.asc格式，導(dǎo)入到Geomagic studio逆向工程軟件中，進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的降噪、精簡、修補(bǔ)、采樣、封裝等處理。Geomagic studio可輕易地從掃描所得的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。然而基于產(chǎn)品的設(shè)計思路以及復(fù)雜曲面的光順性考慮，本產(chǎn)品只是在此對點云進(jìn)行簡單的處理，然后在CAXA軟件中對產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化的重新設(shè)計，確保產(chǎn)品的工業(yè)性與機(jī)械特性［5］。處理后的凸輪導(dǎo)槽曲面見圖3。數(shù)據(jù)處理后的曲面保存為.stl格式文件。

圖3 點云處理后的封裝曲面Figure 3 The package surface

3 凸輪導(dǎo)槽的參數(shù)化再設(shè)計

曲面重構(gòu)的質(zhì)量好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量精度，因此曲面重構(gòu)也是實現(xiàn)逆向工程中較為重要的一個步驟［6］。凸輪導(dǎo)槽的數(shù)字化三維重構(gòu)是在充分分析產(chǎn)品的原設(shè)計思路的前提下，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械特征手動測繪與非標(biāo)準(zhǔn)曲面三維掃描的方法，遵循“點—線—面”的重構(gòu)思路，確保生成更為準(zhǔn)確和光順的曲面。

3.1 產(chǎn)品的擺正

將經(jīng)過數(shù)據(jù)處理的.stl或.igs曲面導(dǎo)入CAXA制造工程師軟件，首先對擬合曲面進(jìn)行坐標(biāo)的對正，坐標(biāo)對正對曲面的參數(shù)化建模和后續(xù)加工起著關(guān)鍵的作用。

產(chǎn)品的擺放角度理論上是以最省模具材料為原則，對于有滑塊的，擺放基準(zhǔn)為滑塊方向。若產(chǎn)品是對稱的，找出對稱中心，按對稱中心線擺正［7］。考慮到本餛飩機(jī)凸輪導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)屬于在四軸加工中，上下表面自然成型的結(jié)構(gòu)，因此，凸輪曲線是本產(chǎn)品造型的關(guān)鍵參數(shù)曲線，在此只需要得到較精確的凸輪槽曲線即可，另外一邊的造型，根據(jù)軟件中的鏡像、旋轉(zhuǎn)等命令便可完成另一邊的造型，這樣既給逆向造型減少了工作量，同時也保證了產(chǎn)品的美觀和對稱性；縱觀該產(chǎn)品，具備標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械特性的特征為圓柱表面和圓柱上表面的孔，因此，首先根據(jù)手動測得的圓柱體尺寸與點云擬合的小孔的位置對圓柱表面和孔進(jìn)行曲面重構(gòu)，以其圓柱內(nèi)孔與小孔中心點的連線作為零件X軸坐標(biāo)。以圓柱軸線作為Z軸坐標(biāo)，根據(jù)笛卡爾直角坐標(biāo)系原則，利用“三點擬合”命令對零件進(jìn)行對正，結(jié)果見圖4。

圖4 零件坐標(biāo)對正Figure 4 Coordinate alignment

3.2 特征曲線的獲取

在對凸輪槽機(jī)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)“先整體后局部”的設(shè)計規(guī)劃原則，對凸輪槽上各特征尺寸，采用不同的測量儀器來獲得：① 運(yùn)用三坐標(biāo)測量機(jī)測得凸輪槽圓柱體的直徑和高度；② 圓柱體表面孔與側(cè)孔的尺寸也可手動測得；③ 本產(chǎn)品中最關(guān)鍵的參數(shù)即為凸輪槽曲線以及各孔的位置數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通過三維掃描儀所測得的點云擬合曲面進(jìn)行獲取。

基于以上測量原則，一條較高精度的凸輪槽曲線的獲取需要經(jīng)過3個步驟：① 由于同一角度上槽面高度一致，在曲面對正的基礎(chǔ)上，在圓柱底平面繪一略小于圓柱直徑的圓弧，沿Z正向進(jìn)行投影于凸輪槽曲面，獲得一條凸輪曲線，見圖5（此曲線在geomagic曲面擬合軟件中只是簡單地進(jìn)行擬合，曲線流線達(dá)不到精度要求）；② 在底面圓弧上每10°均布畫線，求出每條等分線與凸輪槽曲線的投影交點，運(yùn)用CAXA軟件中查詢命令，獲得各點Z軸坐標(biāo)，即為曲面上各點的高度（見圖6、7）；③ 根據(jù)所測得的各點Z坐標(biāo)，每隔10°，繪制Z向曲線段，將曲線上各點用樣條閉曲線方式進(jìn)行連接，得到所需要的高精度的凸輪槽曲線。并對樣條曲線進(jìn)行起、始點相切處理和曲線曲率梳分析，可以改變控制點的數(shù)目來調(diào)整曲線。控制點增多則形狀吻合度好，控制點減少則曲線較為光順。圖8為凸輪槽樣條曲線。

3.3 零件特征創(chuàng)建

曲面或?qū)嶓w生成方法有很多，在CAXA制造工程師中，實體生成的命令有拉伸、旋轉(zhuǎn)、導(dǎo)動、放樣等方式，曲面的生成方式可以用點陣直接生成曲面，可以用曲線通過直紋、掃掠、導(dǎo)動等方法生成曲面，也可以結(jié)合點陣和曲線的信息來創(chuàng)建曲面。還可以通過其它例如圓角、過橋面、網(wǎng)格等生成曲面［8］。

圖5 線面投影Figure 5 Wire surface projection

圖6 凸輪槽曲線參數(shù)點Figure 6 CAM groove curve parameters

圖7 曲線展開圖Figure 7 Curve graph

圖8 凸輪槽樣條曲線Figure 8 CAM slot spline curve

在本產(chǎn)品的建模過程中，圓柱體的生成使用了“拉伸”命令，見圖9；而凸輪槽部分則用到了“直紋面”命令，再以直紋面由“曲面加厚”命令生成為體特征，見圖10；另端特征，是在樣條曲線向上平移與槽寬相等的距離基礎(chǔ)上，生成直紋面，繼而曲面加厚而成；孔特征由點云擬合獲取其正確位置，圖11為零件實體圖。

圖9 “直紋”曲面Figure 9 Straight grain surface

圖10 “曲面加厚增料”特征Figure 10 “Increasing material surface thickening”feature

圖11 完整零件圖Figure 11 Complete detail drawings

3.4 CAD曲面質(zhì)量分析

計算輔助設(shè)計所得到的CAD曲面與原產(chǎn)品之間必然會存在一定的差異，這種差異是否能夠滿足設(shè)計或裝配要求，可以將重構(gòu)所得曲面模型保存為igs格式文件，導(dǎo)入至Geomagic Qualify軟件中與原始點云進(jìn)行比對，迅速得出檢測結(jié)果。在Geomagic Qualify軟件中，首先需要將CAD模型和掃描數(shù)據(jù)點云分別設(shè)為檢測對象和參考對象。通過自動最佳擬合方式或手動擬合方式進(jìn)行“坐標(biāo)對齊”，后進(jìn)行“3D比較”，誤差以彩色圖形直觀顯示，比較結(jié)果見圖12，平均偏差為0.16，符合產(chǎn)品研制開發(fā)要求。應(yīng)用軟件中的“生成質(zhì)量報告”命令，可以將3D比較的結(jié)果生成質(zhì)量報告，報告以.pdf格式保存。

圖12 曲面質(zhì)量分析Figure 12 Surface quality analysis

4 凸輪導(dǎo)槽的多軸加工

4.1 零件加工工藝方案制定

該產(chǎn)品中圓柱面上的特征較多，采用四軸加工中心來完成產(chǎn)品的制作，其中上表面孔的加工由其三軸功能來完成，槽與側(cè)孔的加工采用四軸模塊來完成。考慮到零件長度較短，零件的裝夾中用到了輔助元件心軸與頂尖，采用一夾一頂?shù)难b夾方式。編程運(yùn)用CAXA軟件中CAM功能進(jìn)行自動生成加工程序，具體加工方案：

（1）粗加工。粗加工考慮以去除余量為主，所以刀具選擇Φ16mm的立銑刀，運(yùn)用多軸加工中的“四軸柱面曲線加工”方式進(jìn)行，走刀方式為往復(fù)加工，減少抬刀次數(shù)；下刀選擇毛坯外“直線下刀”方式，使刀具進(jìn)行切線切入切出，有效地防止切入時振動過大造成刀具斷裂；由于槽深為10mm，所以在參數(shù)設(shè)置中，采用分層切削，每次切深為3mm，在機(jī)床剛性范圍內(nèi)，既保證了效率又確保了安全，同時為精加工留下均勻的余量。

（2）精加工。曲面精加工方法的選擇和參數(shù)的設(shè)置直接關(guān)系到曲面的表面質(zhì)量和精度，針對該產(chǎn)品，在精加工過程中，用直徑為Φ6mm的硬質(zhì)合金立銑刀，仍采用“四軸柱面曲線加工”的方式進(jìn)行，刀具走刀路線圍繞柱面進(jìn)行環(huán)形走刀，工件在加工過程中繞X軸進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，加工行距為1mm。圖13中，精加工軌跡是為了顯示清楚，把行距變大2倍后的刀具軌跡。

圖13 粗、精加工軌跡Figure 13 Rough and finish machining

4.2 零件的試切驗證加工

零件的仿真加工已經(jīng)成為產(chǎn)品投入生產(chǎn)前進(jìn)行檢驗的關(guān)鍵步驟，在本產(chǎn)品的仿真加工驗證中，運(yùn)用專用的多軸加工仿真軟件Vericut 7.3對刀具路徑和加工工藝進(jìn)行驗證，可以根據(jù)驗證分析結(jié)果對程序進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。圖13為采用vercut軟件真模塊進(jìn)行的粗、精加工仿真結(jié)果。

零件程序經(jīng)過仿真加工后，根據(jù)實際加工機(jī)床的系統(tǒng)，由CAM軟件生成與機(jī)床系統(tǒng)相匹配的程序，通過在線傳輸或者存儲卡輸入的方式傳入數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，零件的實際加工在配有FANUC系統(tǒng)四軸聯(lián)動加工中心上進(jìn)行，采用一夾一頂?shù)亩ㄎ环绞剑瓿闪慵囊淮窝b夾全部加工。將所生產(chǎn)零件替換自動餛飩機(jī)損壞部件，導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)完全可以實現(xiàn)餛飩加工的最后一道工序封口的功能，沒有發(fā)生卡死或脫落現(xiàn)象，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，投入正常使用。

5 結(jié)論

隨著制造行業(yè)產(chǎn)品競爭力的日趨激烈，自動化程度的不斷提高，關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，單靠傳統(tǒng)的設(shè)計與制造方法，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上時代需求，因此，產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計與制造顯得尤其重要。文章圍繞“凸輪導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)”，用逆向的思維，結(jié)合三維掃描儀、Geomagic studio軟件、CAXA（CAD/CAM）軟件、Geomagic qualify軟件等數(shù)字化設(shè)計與制造手段，對其設(shè)計過程中逆向技術(shù)、參數(shù)建模、數(shù)字化制造等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，針對產(chǎn)品對數(shù)據(jù)采集策略進(jìn)行了合理規(guī)劃，在充分分析產(chǎn)品的原設(shè)計思路的前提下，提出了“點—線—面”的曲面重構(gòu)思路，并對重構(gòu)曲面進(jìn)行了質(zhì)量分析，運(yùn)用數(shù)字化的手段完成了零件的加工。為人們運(yùn)用逆向技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計與制造提供了一種全新的設(shè)計思路和可供參考的典型經(jīng)驗［9］。

1 王霄.逆向工程技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：89.

2 朱建能，周繼偉，吳正洪，等.基于逆向工程的零件反求設(shè)計與制造［J］.硅谷，2012（11）：46～48.

3 吳迎春.基于Geomagic和UG的逆向工程造型與制造應(yīng)用［J］.機(jī)械制造與自動化，2010，39（5）：120～122.

4 胡影峰.Geomagic Studio軟件在逆向工程后處理中的應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動化，2009，31（9）：135～138.

5 安曉超.汽車覆蓋件逆向重構(gòu)及拉延成形數(shù)值模擬［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2008.

6 吳克.基于逆向工程的吉普車外覆蓋件造型建模方法研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2013.

7 李江雄，柯映林.基于特征的復(fù)雜曲面反求建模技術(shù)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2000，36（5）：18～22.

8 呂漢明，王揚(yáng).用于三角網(wǎng)格模型的啟發(fā)式四邊區(qū)域劃分算法［J］.吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2008，38（l）：158～160.

9 元慶凱，葛正浩，王金水，等.逆向工程在塑料產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與制造中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2010（10）：89～91.