基于逆向工程的產品設計與數控加工

王永玲

（晉中職業技術學院，晉中030600）

1 逆向工程

逆向工程（Reverse Engineering）是將實物轉化為CAD模型的數字化技術、幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱[1]。本文基于逆向工程對環形錨鉤進行設計，屬于“實物逆向工程”范疇，設計過程分為三個階段：第一是數據采集，使用Win3DD單目三維掃描儀進行測量，獲取環形錨鉤的數據信息；第二是逆向建模，利用Design X軟件重構環形錨鉤的3D模型；第三是生產制造，采用數控機床進行加工。

2 數據采集

2.1 點云數據

環形錨鉤是穿繩桿的核心零件，提供該零件可以方便、快捷地將纜繩穿過纜樁，使船只固定在岸邊。采用Win3DD單目三維掃描儀設備對環形錨鉤進行數據采集，屬于非接觸式測量方式。非接觸式測量具有測量速度快以及不用和實物接觸就可完成測量等優點[2]。數據采集分兩個環節，即標定和掃描。

首先調整掃描儀設備，完成標定。標定環節非常重要，可以避免零件特征發生變形。其次是掃描，由于環形錨鉤存在反光現象，掃描過程點云數據提取采取困難，因此在零件外表面噴顯像劑，確保特征完整性。另外，錨鉤是復雜曲面零件，掃描需要借助轉盤完成，在環形錨鉤及轉盤上合理貼定標志點。完成上述工作后開始掃描工作，將環形錨鉤放在轉盤上獲取一部分點云數據，然后翻轉轉盤，依據公共標志點，獲取錨鉤缺失部分點云數據，最后察看錨鉤點云數據是否完整，保存asc格式文件。

2.2 點云數據預處理

在數據采集的過程中，不可避免地會引入不合理的噪音點，這部分數據約占數據總量的0.1%～5%，分布情況如圖1所示。利用Wrap軟件進行點云數據預處理，導入asc文件，依次完成如下操作[3]。

首先進行著色，在點云上開啟照明和彩色效果，便于觀察環形錨鉤幾何形狀，同時進行非連接項操作，分隔為低，尺寸為5%，重復操作3～4次。

其次進行體外孤點操作，敏感度設置為100，重復操作1～2次，需要注意的是，在這個過程中需要減少噪音，彌補掃描儀誤差，使點的排列更平滑，且錨鉤要封裝處理，將錨鉤的點云轉化為三角面片。

最后開始填充單個孔，主要補標志點處的孔，匹配周圍網格曲率來填充。并通過“網格醫生”功能，去除釘狀物、自相交等問題，使三角面片大小一致，具體效果如圖2所示。點云數據處理完成，保存為stl格式。

圖1 錨鉤點云數據

圖2 錨鉤三角面片

3 錨鉤逆向建模

美國Raindrop公司的Geomagic Design X是專業的逆向工程軟件，其具有人性化的界面設計，且操作便捷。將上述保存的stl文件導入Design X中，劃分領域組，先采用自動分割命令，敏感度設置為30。再使用插入、合并命令，完善領域組。領域組劃分完畢，手動對齊坐標。

基礎操作之后，根據錨鉤外環領域提取圓環特征，由錨鉤開口兩側領域提取圓柱特征，并與圓環剪切運算，此時錨鉤主體模型已呈現。切換左側視圖，對錨鉤一面進行建模。錨鉤內測領域提取球特征，與主體圓環進行剪切運算；錨鉤上側領域提取圓環特征，與主體圓環進行剪切運算。然后切換右視圖，重復上述操作。再使用面片草圖拉伸命令，完成錨鉤外環凹坑建模。最后通過圓角命令優化局部特征，保存為stp格式，如圖3所示。由顏色面板可見，錨鉤的逆向結果與掃描數據偏差±0.01mm。

4 CAM加工

將環形錨鉤3D模型導入UG8.5軟件中進行產品模型分析，從而制定工藝方案。錨鉤為復雜曲面零件，需進行正、反面及側面加工。設備選用三軸加工中心，毛坯件為硬鋁。根據零件結構及切削用量，創建刀具D16、D12、D8平頭銑刀和D6R3球頭銑刀，工藝流程如下。

第一步選取尺寸為104mm×104mm×50mm的方形毛坯鋁料，軟件部件設置為錨鉤、工藝加強筋板及長方形塊，便于編程基準與對刀基準重合，MCS設置為毛坯上表面中心處，如圖4所示。毛坯底面及側面為裝夾定位基準。利用虎鉗裝夾定位，保證工件至少露出28mm。

圖3 錨鉤3D模型

圖4 毛坯及加工工藝模型

第二步進行型腔銑開粗，刀具為D16，切削模式選擇“跟隨部件”，每刀公共深度為2mm，腔銑步驟設置為“順銑，層優先，向內”，余量0.2mm，主軸轉速為5000r/min，進給率600mm/min。完成上述工作后進行型腔銑二次開粗，刀具為D12，切削模式選擇“跟隨部件”，每刀公共深度為1mm，腔銑步驟設置為“順銑，層優先，向外”，余量0.2mm。主軸轉速為5000r/min，進給率600mm/min。

第三步固定輪廓銑，切削區域為錨鉤正面，刀具為D6R3，切削模式選擇“同心往復”，步距為0.15mm，腔銑步驟設置為“順銑，向內”，余量0mm。主軸轉速為4000r/min，進給率700mm/min。

第四步進行反面裝夾，MCS設置為毛坯上表面中心處，長方形塊底面及側面為裝夾定位基準，利用虎鉗裝夾定位，保證工件至少露出35mm。完成該工序后進行型腔銑開粗，刀具為D8，切削模式選擇“跟隨部件”，每刀公共深度為1mm，腔銑步驟設置為“順銑，層優先，向外”，余量0.2mm。主軸轉速為6500r/min，進給率1300mm/min。完成上述工作后固定輪廓銑，切削區域為錨鉤反面與側面，參數設置同上述流程。

第五步進行側面裝夾，毛坯設置為錨鉤、工藝加強筋板及長方形塊，部件為錨鉤和長方形塊，MCS設置為長方形塊上表面中心處。錨鉤為裝夾定位基準。利用虎鉗裝夾定位，保證工件至少露出54mm。完成之后進行型腔銑精加工，刀具為D8，切削模式選擇“輪廓加工”，每刀公共深度為1mm，腔銑步驟設置為“順銑，層優先”，余量0mm。主軸轉速為5000r/min，進給率700mm/min。

最后進行輪廓區域銑，切削區域為錨鉤開口圓角，刀具為D6R3，切削模式選擇“跟隨周邊”，步距0.2mm，應用在部件上。腔銑步驟設置為“順銑，向內”，余量0mm。主軸轉速為4000r/min，進給率800mm/min。

完成所有工序后，進行后置處理，輸出程序，通過CF卡將程序輸入三軸加工中心，完成錨鉤的加工，如圖5所示。

圖5 錨鉤產品

5 結語

本文以環形錨鉤為例，從數據采集、逆向建模及生產制造方面，詳細闡述了逆向工程的整個流程，為復雜零件的生產提供了經濟高效的解決方案，具有一定的實際意義和應用價值。