復雜曲面產品的逆向建模和數控虛擬加工仿真

王 芳

（貴州應用技術職業學院，貴州 黔南州 550500）

機械制造業在推動國民經濟高質量發展的過程中起到了至關重要的作用。在現代制造過程中，復雜曲面產品日漸增多，使得加工工序變得復雜，加工周期延長，傳統的設計制造方法難以適應先進制造技術日新月異的發展，而逆向工程就專門為制造業提供了一個全新、高效的重構手段。逆向工程是以現有產品作為樣件，使用三維掃描儀獲取產品表面點云數據，再經過逆向建模將其重構成實體模型，進而加工出產品的一種先進制造技術[1]。逆向工程與數控仿真加工結合，可以直觀觀察到復雜曲面產品加工過程，及時發現加工過程中存在的問題并進行及時修改，最大程度減少廢品率，降低成本，提高加工效率，縮短復雜曲面加工周期，快速反應市場變化[2]，對現代制造業具有重要現實意義，同時還可以修復破損的雕像、雕刻等文化產品，實現對傳統文化遺產的開發和保護。

1 使用三維掃描儀獲取人像點云數據

拿著手持式掃描儀對著人像緩慢移動一周，獲得人像表面的三維點云數據[3]，掃描儀掃描的三維人像如圖1 所示。由于掃描儀精度不高，掃描出的人像不夠精細，一些人體局部未掃描到，導致數據缺失而使人像腋下等其他一些地方形成破洞，這些破洞后續可以在Geomagic中用填充命令進行解決處理。

圖1 掃描儀掃描的三維人像

2 基于Geomagic逆向建模

2.1 點階段

將人像點云數據stl 文件導入Geomagic 逆向建模軟件[4]，點擊“點階段”命令之后，從封裝階段回到點階段，進而編輯點云數據。所采集的人像點云數據由于掃描儀精度不高、一些局部掃描不到、掃描操作不當等原因，不可避免地產生大量雜點、噪音點，需要通過減少噪音、刪除雜點對人像進行簡單處理。

2.2 封裝階段

通過簡單進行清除、刪除釘狀物，再簡化、細膩簡單處理后填充孔，接著構建四邊形邊界，為避免大量的網格線匯聚于小面夾角處而發生網格線相交錯誤，需要先將體模型進行劃分，即分模，分模可以讓后期更好地構建四邊形邊界。在工具欄里點擊定制區域模式，通過構建的分界線畫線將人像的人頭、身體、兩只手臂分離出來，如圖2 所示，到最后曲面階段再進行拼接即可。

圖2 分模的四個部分及各部分NURBS曲面控制網格的邊界規劃

2.3 構建四邊形邊界

構建四邊形邊界就是利用劃分四邊形邊界形成控制網格邊界。根據人體各部分特點規劃四邊形邊界，用創建/修改曲線和曲線截面都可以生成邊界，創建/修改曲線可以任意在模型上劃分邊界，可以比較自由地劃分邊界。規劃網格大小要勻稱，最好是方形或矩形的網格，不能出現尖角、三角形或細小的網格，這對后面能否成功用移動面板劃分規整的四邊形網格線、合并曲面有著重要影響，結合兩種創建邊界的方法構建人體四個部分的四邊形邊界，如圖2所示。

2.4 曲面階段

在建好四邊形邊界后，執行“修復相交區域”，如果出現有相交的三角形，選擇松弛清除，點擊應用就會自動修復相交的三角形。在曲面階段，分別點擊探測曲率、升級約束、構造曲面片，再用移動面板工具對自動生成的凌亂網格線進行調整，接著松弛一下曲面片后進行構造格柵，通過松弛格柵和編輯格柵解決相交格柵問題，直到格柵不再相交，下一步點擊曲面擬合圖標，選擇常數，在高級選項下拉箭頭下選擇優化光順性。最后，合并曲面，可以選擇一個面合并，也可選擇多個面一起合并，人體人頭部分曲面階段過程如圖3所示，其他部分也是同樣的操作。

圖3 曲面階段過程

最后，在Geomagic 中分別導入人頭、身體、兩只手臂，會自動形成一個整體，如圖4 所示，將整體文件另存為IGES 文件。對于曲面來講，IGES 文件能更好地在不同的CAD 系統之間傳遞[5]，為接下來在UG中進行數控加工編程做準備。

圖4 導入各部分后形成的曲面整體

3 UG中實體生成和數控編程

3.1 在UG中把人像縫合成實體

要在U G 中進行數控加工編程，要加工的模型必須是一個實體才能進行加工。因此，要把從Geomagic Studio 中導入進來的曲面片模型縫合成實體模型。將從Geomagic Studio 里面導出的曲面模型IGES 格式的文件導入到UG 里面[6]，切換到俯視圖，然后建立一個基準平面，在用修建片體命令把人像手端和身體下端的三個孔填好后，用縫合命令把曲面片縫合，將曲面模型轉換成實體模型。

3.2 數控編程

在UG 加工環境中，通過創建刀具、機床坐標系、工序，然后設置工作部件、毛坯、切削區域、驅動方法、刀軸、切削參數等[7]，便可自動生成刀軌并進行3D 動態演示，生成處理文件后就可以得到加工的程序代碼。當然這些代碼不是百分百正確的，后期用VERICUT 進行仿真驗證后，再稍微地修改和優化即可。

3.2.1 粗加工

先進行粗加工，目的是盡快切除材料，考慮到人像比較大，不好找合適材料來進行。因此，粗加工之前，先把人像縮小，縮放值為0.1，然后建立加工人體的毛坯，建立一個直徑為56 mm，高為76 mm 的圓柱，可將毛坯透明度調整為70，方便看到加工人像。點擊進入加工環境后，創建的CAM 設置選擇mill_multi_axis，即多軸銑加工模板，然后創建刀具，點擊創建刀具圖標，類型就保持默認的mill_multi_axis，刀具子類型選擇MILL（銑刀），輸入名稱d10，確定。銑刀直徑輸入10，其他參數默認不變，繼續創建直徑分別為5 mm 和3 mm 的刀具，為后面半精加工和精加工使用做準備。

創建機床坐標系及工序，在創建工序中，程序選擇PROGRAM，刀具選擇之前創建的d10，幾何體選擇WORKPIECE，方法選擇MILL_ROUCH（粗銑）。點擊選擇或編輯切削區域幾何體，選擇整個人體作為切削區域[8]。設置驅動方法相關參數后，點擊非切削移動圖標，彈出非切削移動對話框，進刀類型選擇為線性，其他保持默認。點擊生成圖標，等待一會兒后，生成的刀軌如圖5 所示。點擊確認圖標，彈出刀軌可視化對話框，選擇3D 動態，點擊播放后可看到模擬加工后的實體圖，如圖6所示。

圖5 粗銑后生成的刀軌圖

圖6 粗銑模擬加工后的實體圖

3.2.2 半精加工

半精加工是為精加工準備的，點擊幾何視圖圖標，切換到幾何視圖，復制WORKPIECE，粘貼后得到WORKPIECE_COPY。切換到加工方法視圖，將MILL_ROUCH下的VARIABLE_CONTOUR（可變軸曲面輪廓銑）復制到MILL_SEMI_FINISH（半精銑）下，雙擊半精銑下的文件，彈出可變輪廓銑對話框，幾何體選擇WORKPIECE_COPY，點擊編輯圖標，重新選擇粗銑后的實體作為毛坯，部件保持之前在粗銑階段選擇的人體，點擊驅動方法下的編輯圖標，將步數改為100，刀具改為5（銑刀-5 參數），點擊切削參數，將余量改為0.25。半粗銑后生成的刀軌圖如圖7所示，模擬加工后的實體圖如圖8所示。

圖7 半粗銑后生成的刀軌圖

圖8 半粗銑模擬加工后的實體圖

3.2.3 精加工

點擊幾何視圖圖標，切換到幾何視圖，復制WORKPIECE_COPY，切換到加工方法視圖，將MILL_SEMI_FINISH 下的VARIABLE_CONTOUR_COPY_1 復制到MILL_FINIS 下后，雙擊彈出可變輪廓銑對話框，將幾何體改為WORKPIECE_COPY_COPY，點擊幾何體后的編輯圖標，將毛坯選擇為半精銑后的實體，點擊驅動方法欄的編輯，將步距數改為200，在工具下將刀具改為3（銑刀-5 參數），方法改為MILL_FINISH。精銑后生成的刀軌圖如圖9 所示，模擬加工后的實體圖如圖10所示。

圖9 精銑后生成的刀軌圖

圖10 精銑模擬加工后的實體圖

3.2.4 后處理

右擊粗銑下的VARIABLE_CONTOUR，點擊后處理，彈出后處理對話框，瀏覽打開建立好的后處理器，將文件拓展名改為txt，點擊確定，再經過這樣的方法生成半粗銑、精銑的后處理文件。

4 建立機床模型

VERICUT 是一款可以進行NC 程序的驗證、機床的模擬和NC 程序的優化的數控模擬仿真軟件，在UG 中編程好后，為驗證加工程序的正確性，需要用VERICUT 軟件建立機床模型對其進行仿真加工。VERICUT 自帶的建模功能可以建立機床模型，建模和裝配功能比較簡單，但不靈活，用VERICUT建模比較慢且復雜。因此，在UG 建立好機床模型后，將轉換格式導入VERICUT 中，根據四軸機床VMC1100B，用UG 的建模模塊大概按照1∶1 的比例建立好需要的機床零件，包括機床、夾具、零件、毛坯、切削刀具等。UG 中建立好的機床模型如圖11所示。

圖11 機床模型

5 用VERICUT軟件進行虛擬仿真驗證

5.1 建立四軸機床運動副

打開VERICUT7.3，點擊文件下的工作目錄，將工作路徑設為保存有機床模型的文件夾，再次點擊文件下的新項目，彈出新的VERICUT 項目對話框，點擊確定。在項目樹中右擊Base，在添加模型下選擇“添加模型文件”，選擇之前從UG 中導出的機架stl 文件。右擊Base，在添加下添加一個Z 線性，繼續在Z線性下添加模型文件，模型文件選擇Z 軸的stl 文件，再右擊Z 線性添加一個主軸，在主軸下添加刀具，完成對立柱部分運動副的建立。右擊Base，添加一個Y 線性，在Y 線性下添加模型文件Y 軸，繼續在Y 線性下添加一個X 線性，在X 線性下添加模型文件X 軸的stl 文件。右擊X 線性，添加一個A 旋轉，在A 旋轉下添加模型文件旋轉盤A 軸。將項目樹中的附屬剪切在A 旋轉下，附屬中包含了夾具、毛坯和設計，分別在夾具、毛坯下添加相應的stl 模型文件。為使毛坯能在立柱主軸正下方，在UG 中測量距離后，將各坐標調整為：Spindle(-60,0,100)、Y(0,10,0)、X(-60,0,0)，由此完成了運動副的建立和機床模型導入，項目樹中各運動副的依附層次圖和VERICUT 中的機床模型圖分別如圖12、圖13 所示。

圖12 各運動副的依附層次圖

圖13 機床模型圖

5.2 用VERICUT進行虛擬仿真加工

先定義刀具，刀具的直徑保持和UG 中創建的刀具直徑一致，在VERICUT 設置直徑分別為10 mm、5 mm、3 mm 的刀具，在項目樹中右擊加工刀具，點擊刀具管理器[9]，在對話框添加下的刀具中選擇新的銑削刀具，彈出“刀具ID：3”對話框，在刀具組件欄中選擇旋轉型銑刀，選擇平底銑刀，輸入平底銑刀參數：直徑為10，高和刃長都輸入100，其余保持默認，點擊添加，關閉對話框。按同樣的方法添加直徑分別為5 mm 和3 mm 的平底銑刀，它們的高和刃長都分別輸入為100、50。為和在UG 中刀具名保持一致，將直徑為10 mm、5 mm、3 mm 的刀具名分別命名為0、1、2，最后將裝夾點都設為0 0 100，0 號刀的裝夾方向為0 0 1，它們的刃數都設為2，由此刀具設立完成。添加控制，在項目樹中雙擊控制，選擇四軸控制系統fan30im。點擊G 代碼偏置，在項目樹下面的對話框中將偏置名設為工作偏置[10]，寄存器欄輸入54，點擊添加按鈕，彈出工作偏置對話框，特征選項中從組件名字選擇為Tool，到組件名字選擇為stock。雙擊數控程序，選擇之前在UG 中生成的后處理文件。為了讓VERICUT 能連續地把從粗銑加工到精銑加工的虛擬仿真連續仿真出來，就需要把各加工階段的后處理程序放在一起，但是要將粗加工的程序結束%號、半精加工的程序開始%號和結束%號和精加工的程序開始%刪掉，只留下粗加工的程序開始%號和精加工的程序結束%號。在VERICUT 中虛擬仿真完成后的加工圖如圖14所示。

圖14 VERICUT 中虛擬仿真加工圖

6 結論

以人像曲面為例，通過使用手持式三維掃描儀獲取人像點云數據，通過用Geomagic 進行逆向建模，再用UG 進行數控編程，最后在VERICUT 軟件中進行虛擬仿真加工驗證。以上實例證明，運用逆向工程結合數控加工可以直觀觀察到復雜曲面產品加工過程，及時發現加工過程中存在的問題并進行及時修改，最大程度減少廢品率，提高加工效率，縮短復雜曲面加工周期，對現代制造業具有重要的現實意義。