拖拉機復雜零件的逆向建模和數控加工仿真—基于UG軟件

任艷霞,陳昌鐸,丁 剛,苗雅麗,秦國防,孫海燕, 李秀副

(1.濟源職業技術學院 機電工程系,河南 濟源 459000;2.河南工業職業技術學院,河南 南陽 473000)

0 引言

逆向工程是一門集CAD、激光、精密機械、數控及圖像采集與處理為一體的新技術,在工業領域中有著廣泛的應用前景,可以給現代拖拉機零部件的設計和制造帶來巨大變化。所謂逆向工程,就是將拖拉機零部件實物通過各種測量手段及三維幾何建模方法轉化為計算機上的三維數字模型的過程,即將實物轉變為模型,進而制造出同類新產品的相關數字化技術和幾何模型的重建技術。建模完成后,可以利用UG仿真軟件對產品進行數控加工的仿真模擬,進一步對產品的形狀進行優化,在產品未試制之前便可以實現產品的優化設計。

1 拖拉機復雜零件的逆向建模技術

逆向建模最常用的工具是三坐標測量機,可以將復雜的拖拉機零部件轉換為幾何形狀,并且測量過程完全可以由計算機控制。隨著智能化技術的不斷發展,現在的自動測量機可以根據零件的形狀來自主規劃測量路徑,并且與CAD/CAM軟件系統進行一體化集成。自動測量機利用當前先進的傳感器器件,結合自身精密的機構,利用計算機技術可以對齒輪、凸輪和蝸輪蝸桿等設備進行數據采集。傳統的數據測量方式只能采用專門的工具,而三坐標測量機不需要采用特殊的設備便可以完成復雜零部件的測量。

工件測量的步驟如圖1所示。測量對象按照形狀可以分為兩類:一類是形狀規則的零件,另一類是復雜形狀結構。對于復雜形狀結構,在測量時需要對輪廓進行測量。測量時,在零件表面采集一系列的點,然后通過曲線和曲面建模技術對點進行擬合,計算出任意點的幾何特征,通過測量最終得到零部件的表面形狀和尺寸數據。

拖拉機零部件的逆向建模過程和制造主要分為5個步驟,包括零件采用、表面數字化、重構曲面、分析誤差、CAD/CAM系統工藝設計及加工制造等,如圖2所示。在加工制造之前,需要對誤差進行不斷的修正。誤差的修正采用反饋調節的方式,當發現誤差較大時,可以采用不同的建模方式對曲面進行重構,直到測量曲面和原始曲面的誤差最小。

2 基于UG的建模和數控加工仿真技術

UG是計算機輔助設計制造的交互式系統,功能非常強大,不僅可以設計各種復雜的零件曲面造型,而且可以根據零部件的形狀進行設計加工和工藝編程,從而實現數控加工工藝的優化。UG軟件的誕生主要是采用工作站,但隨著計算機技術的不斷發展,UG軟件可以輕松地在各種PC機上運行,零件建模非常方便,軟件的編程能力也很強大。

在進行拖拉機復雜零部件的逆向建模和數控加工時,可以通過前期的三維坐標測量得到零部件的坐標數據。由于拖拉機復雜零部件的形狀一般都是曲面形狀,在型面的表面存在很多凹凸的結構,曲面是由曲線構成的,因此在進行數控加工時需要對曲線進行插補才能實現曲面的加工過程。在得到零部件的初步形狀后,可以采用曲線插補的方法進行數控加工,其流程如圖3所示。

通過零件的逆向建模,可以得到零部件的初步形狀,在進行曲線插補時還需要對零件的形狀進一步的分析。在實際的數控加工過程中,刀具的運行主要是通過脈沖增量來驅動的,刀具是直線行走的,如果要加工曲線,還需將曲線離散成密集的點,利用曲線插補來實現刀具的曲線行走。為了實現較高的加工精度,實現自由曲線的插補,可以采用 B樣條NURBS,其公式為

(1)

(2)

其中,Vi為控制點坐標;Wi為權重系數;k為曲線的級數;Nik(u)為基底函數,Ri,k(u)為有理式基底函數。基底函數還需要滿足

(3)

其中,ui為節點。

組成的節點向量可以表示為

U=[u0,u1,…,um]

(4)

圖3 曲線插補加工過程

在數控加工時,需要根據加工速度來確定下一個加工位置。一般來說,在加工NURBS曲線時,參數和曲線上的點是一一對應的,因此在插補過程中也就是求解ui的過程。將曲線進行微分后,可以得到

(5)

則

(6)

注意,式(6)中的曲線速度V′(t) 不是進給速度V(t),當插補周期足夠小時可以認為相同。根據微分幾何,可以得到

(7)

則

(8)

將式(8)展開成泰勒級數,即

(9)

其中,ti+1-ti=T是插補周期,由此可以求出ui+1;根據ui+1的數值,可以得到伺服電機需要驅動的參數,實現曲線的插補過程。通過曲線插補,可以得到加工曲線,所有曲線的集合即為拖拉機輔助零部件的加工曲面。

3 拖拉機復雜零部件數控加工仿真

采用逆向建模技術可以得到拖拉機的零件模型,然后將模型導入到UG軟件中對零部件進行數控加工的仿真。零件的逆向建模以一個曲面為例,三維坐標測量時可以獲得點云數據如圖4所示。利用點云數據,可以生成一系列的曲線。在構造曲面時,如果無法自動生成曲面或者曲面的質量較差,可以補充一些曲線來協助完成曲面的創建。

按照圖4的點云數據,通過逆向建模可以得到如圖5所示的曲面。曲面創建完成后,采用UG軟件分析檢查模塊ANALYZE或對生成的曲面著色,檢查曲面的曲率。當存在曲面不光順等質量問題時,還可以通過切片的方法對零部件的曲面進行重構,直到曲面的形狀和原零部件的形狀一致,再設計產品的其他部分的曲面。

完成逆向建模的曲面后,最后進行模型的結構設計,可以添加加強筋、安裝孔等,通過裝配完成曲面模型。模型創建完成后,可以模擬零件的數控加工過程,在UG軟件中可以直接創建工序,如圖6所示。

圖4 測量后得到的點云模型

圖5 逆向建模得到的曲面模型

圖6 工序創建示意圖

在UG軟件中,工序可以自動創建,也可以以編程的方式創建,編程代碼可以直接導入。刀具庫中有多種刀具,可以創建不同需求的加工工序。

圖7 工序參數修改示意圖

對工序創建完成后,還可以對工序的參數進行修改,如加工進給速度、主軸的轉速、和切削用量等;完成后點擊確定,可以生成刀具軌跡以及加工后的產品模型。工序參數修改示意圖如圖7所示。

通過逆向建模和數控加工仿真,可以得到零件的最終加工成品。在進行零部件的設計時,根據成品的形狀對產品進一步優化,并進行運動學和動力學仿真,對產品的性能進行優化。模擬仿真加工出的工件如圖8所示。

圖8 模擬仿真加工出的工件

4 結論

為了提高拖拉機零部件優化設計的效率,引入了逆向建模和數控加工仿真技術,采用數字化方法實現了產品的設計和制造。為了驗證方案的可行性,通過逆向建模方法建立了農機零部件的三維模型,并采用UG軟件模擬了零部件的數控加工過程,得到了拖拉機零部件的初步產品。該方法可以在無需試制產品的條件下實現產品的初步優化,對于提高產品的設計和加工效率都具有重要的意義。