基于逆向設計方法的創新研究與試驗*

寧 棟，解 輝，夏 青，潘俊兵

(1.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2.陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300)

近年來，我國在機械工業領域取得了長足的進步，尤其數控技術取得了突飛猛進的發展[1-4]。隨著計算機技術不斷融入加工領域，機械設計方法也不再以傳統的正向設計方法為主，逐漸以逆向設計為主[5-9]。逆向技術又稱為反求技術[10-13]，主要是借助已有模型，通過掃描手段處理成數字化模型，在此基礎上對已有模型進行再創新的過程。尤其是建立形狀復雜的曲面模型，逆向設計具有獨特的優勢，已被廣泛應用于航空、汽車、電器、摩托車等軍、民用產品的優化與創新設計[14-17]，以及相關零件的修復。逆向設計已逐漸演化為消化、吸收先進技術的重要手段[18-20]。本文根據逆向設計方法，融合2種不同基座的曲面，創新設計一種滿足工程需求的新型基座，并進行加工試驗，該研究可為企業產品設計提供參考，期望對推進我國工業化進程起到促進作用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本文以2種不同曲面的基座作為研究對象(見圖1)。所用軟硬件設備主要有Win3D型三維掃描儀、點云處理軟件Geomagic Wrap、逆向建模軟件Geomagic Design X、UG編程軟件、TR200型表面粗糙度測量儀、VMC 1000型加工中心、CONTURA G2型三坐標測量儀、各種刀柄、銑刀及若干不同尺寸的鋁合金毛坯等。

a) 1號基座(平底)

b) 2號基座(夾口)圖1 試驗基座

1.2 試驗方法

本文采用逆向設計方法，將1號基座的曲面結構與2號基座的結構融合創新，從而設計出滿足2號產品使用要求的創新基座。

1.2.1 點云處理及數字化模型建立

2020年3月20日，在陜西國防工業職業技術學院，運用Win3D型三維掃描儀開展了下列試驗。調整掃描儀的工作狀態，將采集誤差設為0.02 mm以下；給1號和2號基座做好標定點分別采集點云數據(見圖2)。運用Geomagic Wrap對點云數據進行參數化處理，將1號和2號基座分別封裝成片體參數化模型，并保存為*.stl格式；分別將1號和2號基座*.stl片體模型導入Geomagic Design X軟件進行融合創新(見圖3)，創新設計出新的基座。對新設計基座進行誤差分析(見圖4)，在基座曲面上體誤差<0.02 mm，可高度還原曲面形狀。將基座創新的模型導出三維通用格式*.step，為后期在UG軟件中編程及仿真加工做準備。

圖2 基座點云數據采集

圖3 1號和2號基座融合設計示意圖

圖4 創新基座模型的體誤差云圖

1.2.2 自動編程

選擇尺寸適合的塊狀鋁合金料作為加工毛坯(見圖5)，進行數控編程。創新基座模型可通過正反面加工工序，在三軸數控加工中心上完成切削加工，因此本文選用VMC 1000型加工中心來完成加工試驗。在加工之前，將*.step格式的創新基座模型文件導入UG軟件，利用UG軟件強大的編程模塊進行數控編程，并進行虛擬加工，虛擬加工中的刀具運動軌跡與機床實際加工的刀具軌跡完全重合。在虛擬加工中，不存在撞刀等故障時，可導出程序進行實際加工。

圖5 毛坯圖

該模型可按正反兩面分工序分別加工，按粗、精加工兩步完成(見圖6)。為了便于裝夾，從而保證基座正面曲面的精度，先加工基座反面(見圖6a和圖6b)；然后反轉工件，加工基座正面(見圖6c和圖6d)。為了降低切削阻力，從而保證切削精度，在正反面加工時，曲面輪廓粗加工采用立銑刀，設置低轉速、深進給，留0.5 mm余量進行精加工。精加工時，平面部分采用立銑刀，曲面部分選用球刀，高速切削基座表面(低進給、高轉速)，完成基座模型的切削加工。各工序對應的刀具軌跡仿真無誤后，將其對應的UG程序進行后置處理，生成數控程序代碼，為機床切削加工做準備。

a) 反面粗加工

b) 反面精加工

c) 正面粗加工

d) 正反面精加工圖6 加工工藝

1.2.3 加工測試

通過對比創新基座模型的加工樣件與理論模型的誤差，可驗證逆向創新設計與機床切削加工的融合性能，為企業產品創新設計提供參考。基于此，于2020年3月22日在西安近代化學研究所機加中心進行了加工試驗。試驗前，根據編制的工藝，準備好相應的刀具、墊鐵及夾具等輔助設備，然后打開VMC 1000型加工中心并預熱10 min，下一步完成毛坯裝夾，加工所用刀具安裝至刀庫中，并完成相應的對刀操作，完成加工前準備工作。讀取數控程序，進行自動切削，試驗現場如圖7所示。完成加工后，用CONTURA G2型三坐標測量儀檢測基座創新的加工模型與理論模型的相對誤差，測得曲面上最大誤差<0.02 mm。用TR200型表面粗糙度測量儀測量表面粗糙度，曲面上粗糙度可達Ra3.2 μm，可滿足工程中對尺寸精度及表面質量要求，能夠替換2號基座繼續使用(見圖8)。

圖7 試驗現場

圖8 創新設計基座使用效果圖

2 結果與討論

2.1 逆向建模分析

逆向建模可將已有單個或多個實物，通過參數化的形式建立對應的數字化模型，進行創新設計。本文通過逆向掃描出2種不種結構的基座模型，在Geomagic Design X軟件中進行曲面融合等二次創新設計。該過程主要用掃描儀采集模型點云數據，其效率及精度遠高于傳統設計方法。逆向設計完成后，采用正向三維建模軟件，可進行多次優化設計，大幅提高產品創新周期。

2.2 逆向建模與切削加工分析

本文用逆向設計方法建立了創新基座模型，并完成了該模型的機床切削加工。通過對比加工樣件與理論模型的誤差(最大值為0.02 mm)表明，逆向設計與數控加工技術的融合，可實現產品的高質量創新設計。若科研試制實際需要，可將該方法用于逆向與多軸加工的創新設計，從而實現更加復雜曲面的設計，滿足產品的美觀性和客戶實際需求。

3 結語

本文以2種不同模型的基座為研究對象，對二者運用逆向建模的方法進行了特征融合創新設計，通過校企結合對創新設計的基座模型進行了加工試驗。試驗表明，加工樣件與理論模型誤差不超過0.02 mm，滿足工程需求，同時表明，逆向設計技術與機加工技術的融合，可顯著縮短創新設計周期，為科研院所新產品的創新設計提供了良好的借鑒，對促進我國國防工業化進程具有積極意義。