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三坐标测量机 |
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基于逆向工程的零件制造技术 |
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作者：绍兴文理学院 胡国军 钱荣芳 冯方 |
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摘要：采用Pro/E软件系统实现逆向工程设计中的数据处理、三维模型重构，并生成NC程序。实践证明，这种方法方便可行，是一种可以推广应用的逆向工程方法。
关键词：逆向工程；Pro/E；三维重构；快速制造
逆向工程技术是近几年迅速发展起来的一门新兴学科，也称反求工程。它包括形状反求、工艺反求和材料反求。但目前逆向工程技术研究较多的是基于零件实物样件的几何模型的反求，即从已有的物理模型或实物零件产生相应的CAD模型，进而对其进行改进设计和制造。在市场竞争更加激烈、产品技术含量不断提高、制造周期不断缩短的今天，逆向工程技术已越来越受到人们的重视。
1 逆向工程及其实现过程
逆向工程常用于仿制过程。即必须对实物进行三维数字化处理，数字化手段包括传统测绘和各种先进的测量方法，将获得的三维离散数据作为初始素材，借助专用的曲面处理软件和CAD/CAM系统构造实物的CAD模型，输出NC加工指令或用STL文件驱动快速成型机制造出产品或原型，其工艺流程如图1所示。其中实线部分是本文讨论的逆向工程的技术流程，虚线部分为逆向工程的另一条技术路线。图1中三维数据测量、数据处理、三维重构是逆向工程的三大关键技术。
(1)几何测量：通过合适的测量方法来获得产品的三维形状；
(2)数据处理：处理所获得的三维数据，使其符合后续操作的要求；
图1 逆向工程流程图
(3)CAD建模：建立一个完整的CAD模型，从而能够借以描述产品的全部相关信息。
本文以日本生产的电脑手套机凸轮的逆向工程设计、制造为例，讨论和分析了该技术的主要步骤。
2 三维数据的采集
在逆向工程中，准确、快速、全面地获取实物的三维几何数据，即对物体的三维几何形面进行三维离散数字化处理，是实现逆向工程的基础。数据的采集是指采用某种测量方法和设备测出实物各表面的若干组点的几何坐标，可以有多种方式进行数据采集。在表面数字化技术中，根据测量方式的不同可以将数据采集方法分为接触式和非接触式两大类。传统方法就是以三坐标测量机(CMM)为代表的接触式，也是实际工程中常用的方式，精度相对精确，但易于损伤测头和划伤被测零件的表面。本次测量采用了青岛前哨的三坐标测量机进行数据采集。
3 数据处理
数据处理是逆向工程的关键一步，结果将直接影响后期模型重构的质量，此过程包括以下几方面的工作：(1)数据预处理；(2)数据分块；(3)数据光顺；(4)数据优化。本设计中，采用最简洁的方法，即通过人机交互，图形显示，判别明显坏点，在数据序列中将这些点删除。
在Pro/E程序中，选用主菜单命令[File]/[New]中新建一个实体零件，然后选择主菜单命令[Application]/[Scan-tools]，指定数据密度模式(低密度模式)，建立坐标系，读入数据后即可生成曲线。若原始测量数据存在较大的误差，必须用去除噪声点(Remove Scan Point)的方法去除那些偏差较大的点。也可通过新建扫描曲线(Create Scan Curve)、连接扫描曲线(Join Scan Curve)、分开扫描曲线(Separate Scan Curve)等方法，对曲线进行直接处理，即可获得大致令人满意的曲线，如图2所示。
生成扫描曲线后，即可创建光滑曲线，用给定点数法(Number of Points)等方法对曲线进行调整和光顺处理。
图2 由测量点生成的曲线
4 CAD建模
Pro/E有很多功能强大的模块，比如零件建模模块，工程图模块，数控加工模块等等，这里我们使用零件建模模块进行反求建模。
在零件(Part)模块下创建出3DCADMoｄel。完成3DCADMoｄel创建后，可进一步利用Ｖiew/Aｄ vanceｄ→Pｈotorenｄer制作高品质的渲染图，如图3所示。
图3 CAD模型重建
5 数控加工
将创建好的3DCADMoｄel汇入Pro/E的Manufac turinｇ模块，建立新的Pro/NC文件(创建新的Pro/NC制造模型)，在New菜单下选择NC组件选项按钮。在菜单管理器中选择制造模型选项、选择装配中的参考模型项、打开建模的模型。选择制造设置，设置各种参数设置，其中包括机床、刀具、夹具、参照、退刀等的设置。接下来就可以进行加工设置了，选择加工中的NC序列，在其中的加工中选择轮廓选项、接着进行序列设置，包括刀具的选择、曲线的选择、参数的设置等，通过轮廓加工方法对凸轮的外轮廓线进行加工。加工过程的动画演示如图4所示。判断加工的合理性，并作适当的修正。对于其它各部分(圆孔)的加工可以按照上面的方法进行操作。
图4 虚拟加工的轨迹演示过程
等确定各加工过程准确无误后就可以进行程序的输出了。在菜单管理器中选择CL数据选项、选择输出→轨迹→文件、选中CL文件和MCD文件选项，则NC加工程序的输出生成完成。
至此，经过上述反求建模，NC加工程序生成后，再将Pro/E生成的数控加工代码经过一定的手工设定后，送至电火化线切割机或加工中心加工，即可完成凸轮的反求设计与制造。
6 结束语
逆向工程是全新的制造技术信息化、科学化的系统工程，开辟了设计制造零件的新途径。现代几何信息数字化获取技术和以Pro/E为代表的三维造型技术，为逆向工程提供了强有力的模型设计工具。逆向工程作为一项新技术在产品设计开发和制造方面，能大大地缩短设计制造周期，这一技术正以其独特的优势，在产品的开发中发挥着越来越大的作用。
参考文献
【1】余心宏，吴向阳 反求工程与原型数字化技术[J] 组合机床与自动化加工技术，2001(10)
【2】蔡玉强，蔡玉俊，王 杰 涡轮逆向工程设计[J] 模具工业，2002(9)
【3】肖尧先，王细洋，柯映林 基于实物模型的反求工程造型应用[J] 机械设计与制造，2002(9)
【4】孙江宏，陈秀梅 Pro/ENＧＩNEER2001数控加工教程[M] 北京：清华大学出版社，2003 (end)
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(2/6/2005) |
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