基于逆向工程對電動剃須刀的設計與數控加工

曹昭平

摘 要：本文以電動剃須刀為研究對象，使用數字化掃描儀獲取模型點云數據，并利用Geomagic Wrap 2015、Geomagic Design X、中望3D軟件完成剃須刀的設計與數控加工。

關鍵詞：逆向工程；數控加工；電動剃須刀

逆向工程也稱為反求工程，它產生于20世紀80年代末至90年代初。傳統的產品開發過程遵循正向工程的思維，即從概念設計到圖樣，再制造出產品。是從未知到已知、從抽象到具體的過程。而逆向工程則是按照產品引進、消化與創新的思路，即根據已有的產品模型，反向推出產品的設計數據，包括設計圖紙和數字模型。逆向工程是一個“從有到無”的過程。

本文以常見的電動剃須刀為研究對象，將逆向與數控相結合，得到重建后模型的數控加工程序，并使用數控銑的方法進行加工。

1、數據采集

數據采集也稱為三維數據測量，它是指通過特定的測量設備和測量方法獲取產品表面離散點的幾何坐標數據，將產品的幾何形狀數字化。根據測量時探頭是否與被測量零件表面接觸，目前的測量方法通常分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類。本研究中剃須刀點云數據的獲取是利用PTC系列三維掃描系統，使用非接觸式測量方法獲取。

（1）根據零件的大小確定掃描設備標定板的大小，本文選用中板進行標定，標定結果誤差小于0.06mm，符合設備使用要求。

（2）由于電動剃須刀實物屬于彩色工件，在掃描過程中不利于數據的采集，因此在掃描之前在剃須刀外表面噴DPT-5顯像劑。

（3）分析剃須刀的特征后，選擇“拼接掃描”方式得到完整點云。因此，標志點的合理粘貼非常重要，本研究選擇在剃須刀背面平整的位置錯落貼四個標志點，便于掉頭掃描時的拼接。

（4）準備工作就緒后進行電動剃須到掃描工作，將準備好的剃須刀正立放置在3D掃描儀旋轉平臺上旋轉5—6次（360°）完成正立時的掃描。完成后，將剃須刀倒立放置，并將標志點正對鏡頭，作為倒立后的首次掃描面，從而利用公共點完成正立與倒立特征的拼接，在倒立360°掃描結束后，查看掃描數據是否完整。

（5）將數據保存為asc格式，導入到Geomagic Wrap 2015逆向工程軟件中進行點云數據處理。

2、點云數據預處理

由于設備、環境、零件表面質量等因素的影響，掃描獲得的數據會出現較多的雜點、跳點、無序點，影響數據的精確性，因此對得到的點云數據進行下述預處理很有必要：

（1）啟動Geomagic Wrap 2015軟件，導入點云，對點云進行著色。

（2）將點云中明顯距離主體點云遠的手動刪除，再選擇工具欄中“選擇—非連接項”命令，尺寸按默認值設為5.0，單擊“確定”按鈕。點云中的非連接項被選中，并呈紅色顯示。這時單擊工具欄中的“刪除”按鈕，將標紅的非連接點云刪除。

（3）單擊工具欄中“選擇—體外孤點”命令，敏感度設為85，單擊“確定”按鈕。此時體外孤點被選中，呈現紅色，單擊“刪除”按鈕，將標紅的體外孤點刪除。

（4）單擊工具欄中“減少噪音”命令，設置相關參數減少在掃描過程中產生的一些噪聲點數據。減噪處理可以是數據平滑，降低模型的這些偏差點的偏差值，在后來封裝的時候能夠使點云數據統一排布，更好地表現真實的物體形狀。

（5）單擊工具欄中“統一采樣”命令，單擊“絕對”選項，定義“間距”為0.3mm，單擊“確定”。該命令是在保持模型精確度的基礎上減少點云數據量的大小，減少點云數據可以使數據的運算速度更快，提高運算效率。

（6）封裝數據，將點云數據轉換為多邊形模型，并對得到的多邊形模型進行簡化、填充孔、去除特征、砂紙打磨、網格醫生等基本的多邊形處理。處理完畢后使用“特征—平面”命令，創建三個相互垂直的平面；再利用“對齊—對齊到全局”命令，將創建的三個平面定義為空間坐標系中的X、Y、Z面；最后將處理好的多邊形保存為stl格式。

3、電動剃須刀逆向建模

啟動Geomagic Design X軟件，將保存的stl文件導入到該軟件中，采用自動分割命令劃分領域組，敏感度設置為30。再使用插入、合并命令，完善領域組。剃須刀主體用3D面片草圖截取多邊形模型，設置合適的控制點，控制截面精度，并將草圖拉伸到合適位置；同理，剃須刀的電動頭用3D面片草圖截取后拉伸再切除完成；而對于剃須刀的刀頭和握手處的曲面則需要通過引導線，用放樣命令完成這幾個部分的曲面創建；最后對剃須刀局部進行倒圓角，整體進行誤差分析。由誤差分析色譜圖可以發現，電動剃須刀的逆向結果與掃描數據偏差±0.02mm。將完成的剃須刀實體模型保存為stp格式文件。

4、電動剃須刀的數控加工編程

（1）工藝分析

將在DX軟件中處理好的剃須刀模型導入到中望3D軟件中，創建35×50×80毛坯。該零件材質為尼龍，有復雜曲面，且需要掉頭加工。按照加工工藝路線的安排，先對有刀頭一方進行粗加工、半精加工和精加工；再掉頭裝夾對底部進行粗加工、半精加工和精加工，并保證剃須刀整體高度。

（2）確定工件坐標系及加工刀具

根據毛坯的特征，為了方便編程基準和對刀基準重合，設置坐標系為毛坯中心上表面，其裝夾方式以底面和兩側面為裝夾定位基準，利用平口鉗夾緊工件并保證工件露出45mm的高度。

根據機床的剛性、毛坯材料，模型結構和切削用量等創建刀具。在“創建刀具”命令中，分別創建D6立銑刀和R2球頭銑刀。

（3）編制加工工序

根據零件的加工要求，編制如下加工工序：

銑標準面 → 開粗 → 精加工 → 等高線切削 → 輪廓切削 → 螺旋切削 → 三維偏移切削 → 輪廓切削 → 掉頭裝夾 → 新建坐標系 → 重復輪廓開粗+精加工 → 重復端面加工。

（4）后處理

根據實際使用的機床在后置處理中選擇“華中數控機床”，生成G代碼，修改相關參數，點擊確定鍵，生成TXT格式G代碼加工程序。將程序利用計算機或U盤傳送數控機床，使用華中數控四軸銑床完成電動剃須刀的加工任務。

5、結論

對已有產品進行新的開發設計，是制造業中的不可或缺的環節。以逆向工程技術為基礎，對復雜曲面零件進行再創造并用數控加工技術進行加工研究，對于推動社會經濟發展具有顯著的現實意義。

參考文獻

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[2] 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（12）：97—100.