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用Cimatron的逆向工程精确设计单螺杆压缩机螺杆 |
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作者：江汉石油管理局 黄远明 |
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Cimatron是以色列Cimatron公司开发的CAM软件，其以灵活的曲面造型功能、强大的NC功能和易学易用、灵活便捷的操作特点赢得众多设计人员和数控编程人员的青睐，其在逆向工程方面也有非常好的解决方案。
随着产品的引进和国产化要求的提高，很多企业面临着如何得到已有零件的产品模型，进而批量加工该零件的问题。另外一方面，随着测量技术的不断发展和对产品检测要求的提高，测量机也广泛地应用于质量检测部门。逆向工程成为满足这一需求的利器。
Cimatron的逆向工程具备较为全面的功能，在北美和西欧得到了非常广泛的应用。对于每个点云， 用户可以根据实际情况，选择是先由点云生成几何样条曲线，还是从点云直接产生曲面模型。 对生成的曲面模型可以用彩色图的方式进行精度分析。 
图1裁纸刀刀柄的点云图 图2 逆向工程自动回复曲面
Cimatron支持多种测量机的数据格式，包括ASCII、G-代码、CMM。而且用户还可以定制数据格式处理器，使得系统可以读取更多格式的数据信息。这些格式包括ASCII、G-代码、CMM、MDA、MDB、ISO、CIM等。
Cimatron为工程技术人员提供了一整套的面向点云的处理工具：点云的分割、投影、删除、加密、过滤、去噪、断点的分析等。使用带有不同误差校正的二维、三维Bezier或NURBS样条曲线把点连接为曲线，拐角点能被手工确定或在一定角度范围内自动被检测到。
使用点云数据能直接生成智能的网格曲面（多面体网格），网格的单个节点能在不影响曲面的条件下被修改。可用完全的颜色表格来显示网格和点之间的距离，也可以直接从点云生成NURBS曲面，用颜色表格来显示点和曲面之间的距离。通过逆向工程得到三维产品模型之后，用户可以利用Cimatron系统的曲面模型设计和修改功能，对模型进行必要的修改和调整，进而进入加工系统，实现加工编程。
Cimatron逆向工程还可以让用户使用由大量点云生成的由三角面片表示的几何模型，然后由Cimatron读取存成STL三角面片几何信息。用户就可以在此基础上直接进行数控编程来加工所要的模具。
Cimatron的检测模块（Inspector）应用于产品的质量检测，用户可以把质量检测的离散结果读入Cimatron中，并与原有理论模型进行比较，系统会以可视化方式显示结果零件与理论模型的精度差异。
图3 汽车覆盖件零件的数学模型
笔者正是利用Cimatron的逆向工程完成了单螺杆压缩机螺杆的精确造型。下面将具体的设计过程描述如下。
一、单螺杆压缩机的原理及问题的提出
单螺杆压缩机由两片星轮和一个螺杆组成，其中每片星轮有11齿，螺杆有6个槽。工作时，由螺杆带动星轮转动，且旋转轴相互垂直，螺杆和星轮的转速比为11∶6，如图4所示。星轮的齿截面较简单，造型也非常方便，如图5网格部分所示。 螺杆槽由星轮齿按包络原理形成，因而很难按常规方法对螺杆进行精确造型，只能通过数学模型计算出螺杆槽的坐标点后利用逆向工程反求。
图4 螺杆和星轮的装配关系
 
图5 星轮齿截面 图6 星轮齿顶与螺杆啮合角度
二、解决问题的思路和方法
我们通过计算程序得到螺杆一个槽的许多坐标点，然后用Cimatron的逆向工程模块对螺杆的一个槽进行较精确的设计。接下来将此槽的特征进行6等分圆周阵列，即可得到整个螺杆的造型。具体步骤如下。
（1）按星轮的截面尺寸和外形尺寸(外圆)对星轮进行精确三维造型（只造型一个齿），并存盘为star.pfm。
（2）按螺杆的外形尺寸进行螺杆的外形造型，并存盘为screw.pfm。
（3）用计算程序精确计算螺杆的一个槽的坐标点（3万多个点）。
（4）修改逆向工程的配置文件，在零件screw.par中用Cimatron直接读取坐标点文件，生成点云。如图7所示。 
图7 生成的点云图 图8 扫描曲面
（5）用Cimatron的re_enge生成曲面。Re_enge提供了强大的点云编辑功能：
1）根据点云自动生成扫描线，即截面线；
2）对点云的点进行过滤、加密等编辑处理，使点更均匀；
3）对扫描线排序，将方向相反的扫描线调整过来；
4）根据扫描线，自动生产扫描面。即得到我们所需要的曲面的大致形状。如图8所示。
（6）通过Cimatron的曲面造型功能对曲面进行延伸、裁减等操作，得到螺杆的一个螺杆槽。再通过布尔运算得到一个螺槽的螺杆。
（7）将此螺杆槽的特征进行6等分圆周阵列，得到整个螺杆造型。
三、设计实例
我厂生产的OGD55型单螺杆压缩机星轮的转角α＝57.7°，β＝31.5°。按上述步骤进行一个螺杆槽造型如图9所示。再通过布尔运算得到单槽螺杆，如图10所示。然后将此螺杆槽的特征进行6等分圆周阵列，得到整个螺杆造型。如图11所示。
图9 通过逆向反求的槽底
图10 单槽的螺杆
图11 螺杆的完整造型
四、结论
借助逆向工程软件，我企业成功实现了单螺杆压缩机螺杆的精确三维造型，为以后利用Ciamtron的五轴加工提供了精确模型，大大提高了产品设计的效率，为项目的最终顺利完成奠定了坚实的基础。(end)
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(1/11/2005) |
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