论文部分内容阅读
摘 要：本文以电动剃须刀为研究对象，使用数字化扫描仪获取模型点云数据，并利用Geomagic Wrap 2015、Geomagic Design X、中望3D软件完成剃须刀的设计与数控加工。
关键词：逆向工程；数控加工；电动剃须刀
逆向工程也称为反求工程，它产生于20世纪80年代末至90年代初。传统的产品开发过程遵循正向工程的思维，即从概念设计到图样，再制造出产品。是从未知到已知、从抽象到具体的过程。而逆向工程则是按照产品引进、消化与创新的思路，即根据已有的产品模型，反向推出产品的设计数据，包括设计图纸和数字模型。逆向工程是一个“从有到无”的过程。
本文以常见的电动剃须刀为研究对象，将逆向与数控相结合，得到重建后模型的数控加工程序，并使用数控铣的方法进行加工。
1、数据采集
数据采集也称为三维数据测量，它是指通过特定的测量设备和测量方法获取产品表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何形状数字化。根据测量时探头是否与被测量零件表面接触，目前的测量方法通常分为接触式测量和非接触式测量两大类。本研究中剃须刀点云数据的获取是利用PTC系列三维扫描系统，使用非接触式测量方法获取。
（1）根据零件的大小确定扫描设备标定板的大小，本文选用中板进行标定，标定结果误差小于0.06mm，符合设备使用要求。
（2）由于电动剃须刀实物属于彩色工件，在掃描过程中不利于数据的采集，因此在扫描之前在剃须刀外表面喷DPT-5显像剂。
（3）分析剃须刀的特征后，选择“拼接扫描”方式得到完整点云。因此，标志点的合理粘贴非常重要，本研究选择在剃须刀背面平整的位置错落贴四个标志点，便于掉头扫描时的拼接。
（4）准备工作就绪后进行电动剃须到扫描工作，将准备好的剃须刀正立放置在3D扫描仪旋转平台上旋转5—6次（360°）完成正立时的扫描。完成后，将剃须刀倒立放置，并将标志点正对镜头，作为倒立后的首次扫描面，从而利用公共点完成正立与倒立特征的拼接，在倒立360°扫描结束后，查看扫描数据是否完整。
（5）将数据保存为asc格式，导入到Geomagic Wrap 2015逆向工程软件中进行点云数据处理。
2、点云数据预处理
由于设备、环境、零件表面质量等因素的影响，扫描获得的数据会出现较多的杂点、跳点、无序点，影响数据的精确性，因此对得到的点云数据进行下述预处理很有必要：
（1）启动Geomagic Wrap 2015软件，导入点云，对点云进行着色。
（2）将点云中明显距离主体点云远的手动删除，再选择工具栏中“选择—非连接项”命令，尺寸按默认值设为5.0，单击“确定”按钮。点云中的非连接项被选中，并呈红色显示。这时单击工具栏中的“删除”按钮，将标红的非连接点云删除。
（3）单击工具栏中“选择—体外孤点”命令，敏感度设为85，单击“确定”按钮。此时体外孤点被选中，呈现红色，单击“删除”按钮，将标红的体外孤点删除。
（4）单击工具栏中“减少噪音”命令，设置相关参数减少在扫描过程中产生的一些噪声点数据。减噪处理可以是数据平滑，降低模型的这些偏差点的偏差值，在后来封装的时候能够使点云数据统一排布，更好地表现真实的物体形状。
（5）单击工具栏中“统一采样”命令，单击“绝对”选项，定义“间距”为0.3mm，单击“确定”。该命令是在保持模型精确度的基础上减少点云数据量的大小，减少点云数据可以使数据的运算速度更快，提高运算效率。
（6）封装数据，将点云数据转换为多边形模型，并对得到的多边形模型进行简化、填充孔、去除特征、砂纸打磨、网格医生等基本的多边形处理。处理完毕后使用“特征—平面”命令，创建三个相互垂直的平面；再利用“对齐—对齐到全局”命令，将创建的三个平面定义为空间坐标系中的X、Y、Z面；最后将处理好的多边形保存为stl格式。
3、电动剃须刀逆向建模
启动Geomagic Design X软件，将保存的stl文件导入到该软件中，采用自动分割命令划分领域组，敏感度设置为30。再使用插入、合并命令，完善领域组。剃须刀主体用3D面片草图截取多边形模型，设置合适的控制点，控制截面精度，并将草图拉伸到合适位置；同理，剃须刀的电动头用3D面片草图截取后拉伸再切除完成；而对于剃须刀的刀头和握手处的曲面则需要通过引导线，用放样命令完成这几个部分的曲面创建；最后对剃须刀局部进行倒圆角，整体进行误差分析。由误差分析色谱图可以发现，电动剃须刀的逆向结果与扫描数据偏差±0.02mm。将完成的剃须刀实体模型保存为stp格式文件。
4、电动剃须刀的数控加工编程
（1）工艺分析
将在DX软件中处理好的剃须刀模型导入到中望3D软件中，创建35×50×80毛坯。该零件材质为尼龙，有复杂曲面，且需要掉头加工。按照加工工艺路线的安排，先对有刀头一方进行粗加工、半精加工和精加工；再掉头装夹对底部进行粗加工、半精加工和精加工，并保证剃须刀整体高度。
（2）确定工件坐标系及加工刀具
根据毛坯的特征，为了方便编程基准和对刀基准重合，设置坐标系为毛坯中心上表面，其装夹方式以底面和两侧面为装夹定位基准，利用平口钳夹紧工件并保证工件露出45mm的高度。
根据机床的刚性、毛坯材料，模型结构和切削用量等创建刀具。在“创建刀具”命令中，分别创建D6立铣刀和R2球头铣刀。
（3）编制加工工序
根据零件的加工要求，编制如下加工工序：
铣标准面 → 开粗 → 精加工 → 等高线切削 → 轮廓切削 → 螺旋切削 → 三维偏移切削 → 轮廓切削 → 掉头装夹 → 新建坐标系 → 重复轮廓开粗+精加工 → 重复端面加工。
（4）后处理
根据实际使用的机床在后置处理中选择“华中数控机床”，生成G代码，修改相关参数，点击确定键，生成TXT格式G代码加工程序。将程序利用计算机或U盘传送数控机床，使用华中数控四轴铣床完成电动剃须刀的加工任务。
5、结论
对已有产品进行新的开发设计，是制造业中的不可或缺的环节。以逆向工程技术为基础，对复杂曲面零件进行再创造并用数控加工技术进行加工研究，对于推动社会经济发展具有显著的现实意义。
参考文献
[1] 李粉霞、杨洁明.基于逆向工程的复杂曲面数控加工[J].机械工程与自动化，2008（3）：65—66.
[2] 黄斌达，王琦，陈发威.复杂曲面零件的逆向建模及数控加工仿真的研究[J].组合机床与自动化加工技术，2010，12（12）：97—100.
关键词：逆向工程；数控加工；电动剃须刀
逆向工程也称为反求工程，它产生于20世纪80年代末至90年代初。传统的产品开发过程遵循正向工程的思维，即从概念设计到图样，再制造出产品。是从未知到已知、从抽象到具体的过程。而逆向工程则是按照产品引进、消化与创新的思路，即根据已有的产品模型，反向推出产品的设计数据，包括设计图纸和数字模型。逆向工程是一个“从有到无”的过程。
本文以常见的电动剃须刀为研究对象，将逆向与数控相结合，得到重建后模型的数控加工程序，并使用数控铣的方法进行加工。
1、数据采集
数据采集也称为三维数据测量，它是指通过特定的测量设备和测量方法获取产品表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何形状数字化。根据测量时探头是否与被测量零件表面接触，目前的测量方法通常分为接触式测量和非接触式测量两大类。本研究中剃须刀点云数据的获取是利用PTC系列三维扫描系统，使用非接触式测量方法获取。
（1）根据零件的大小确定扫描设备标定板的大小，本文选用中板进行标定，标定结果误差小于0.06mm，符合设备使用要求。
（2）由于电动剃须刀实物属于彩色工件，在掃描过程中不利于数据的采集，因此在扫描之前在剃须刀外表面喷DPT-5显像剂。
（3）分析剃须刀的特征后，选择“拼接扫描”方式得到完整点云。因此，标志点的合理粘贴非常重要，本研究选择在剃须刀背面平整的位置错落贴四个标志点，便于掉头扫描时的拼接。
（4）准备工作就绪后进行电动剃须到扫描工作，将准备好的剃须刀正立放置在3D扫描仪旋转平台上旋转5—6次（360°）完成正立时的扫描。完成后，将剃须刀倒立放置，并将标志点正对镜头，作为倒立后的首次扫描面，从而利用公共点完成正立与倒立特征的拼接，在倒立360°扫描结束后，查看扫描数据是否完整。
（5）将数据保存为asc格式，导入到Geomagic Wrap 2015逆向工程软件中进行点云数据处理。
2、点云数据预处理
由于设备、环境、零件表面质量等因素的影响，扫描获得的数据会出现较多的杂点、跳点、无序点，影响数据的精确性，因此对得到的点云数据进行下述预处理很有必要：
（1）启动Geomagic Wrap 2015软件，导入点云，对点云进行着色。
（2）将点云中明显距离主体点云远的手动删除，再选择工具栏中“选择—非连接项”命令，尺寸按默认值设为5.0，单击“确定”按钮。点云中的非连接项被选中，并呈红色显示。这时单击工具栏中的“删除”按钮，将标红的非连接点云删除。
（3）单击工具栏中“选择—体外孤点”命令，敏感度设为85，单击“确定”按钮。此时体外孤点被选中，呈现红色，单击“删除”按钮，将标红的体外孤点删除。
（4）单击工具栏中“减少噪音”命令，设置相关参数减少在扫描过程中产生的一些噪声点数据。减噪处理可以是数据平滑，降低模型的这些偏差点的偏差值，在后来封装的时候能够使点云数据统一排布，更好地表现真实的物体形状。
（5）单击工具栏中“统一采样”命令，单击“绝对”选项，定义“间距”为0.3mm，单击“确定”。该命令是在保持模型精确度的基础上减少点云数据量的大小，减少点云数据可以使数据的运算速度更快，提高运算效率。
（6）封装数据，将点云数据转换为多边形模型，并对得到的多边形模型进行简化、填充孔、去除特征、砂纸打磨、网格医生等基本的多边形处理。处理完毕后使用“特征—平面”命令，创建三个相互垂直的平面；再利用“对齐—对齐到全局”命令，将创建的三个平面定义为空间坐标系中的X、Y、Z面；最后将处理好的多边形保存为stl格式。
3、电动剃须刀逆向建模
启动Geomagic Design X软件，将保存的stl文件导入到该软件中，采用自动分割命令划分领域组，敏感度设置为30。再使用插入、合并命令，完善领域组。剃须刀主体用3D面片草图截取多边形模型，设置合适的控制点，控制截面精度，并将草图拉伸到合适位置；同理，剃须刀的电动头用3D面片草图截取后拉伸再切除完成；而对于剃须刀的刀头和握手处的曲面则需要通过引导线，用放样命令完成这几个部分的曲面创建；最后对剃须刀局部进行倒圆角，整体进行误差分析。由误差分析色谱图可以发现，电动剃须刀的逆向结果与扫描数据偏差±0.02mm。将完成的剃须刀实体模型保存为stp格式文件。
4、电动剃须刀的数控加工编程
（1）工艺分析
将在DX软件中处理好的剃须刀模型导入到中望3D软件中，创建35×50×80毛坯。该零件材质为尼龙，有复杂曲面，且需要掉头加工。按照加工工艺路线的安排，先对有刀头一方进行粗加工、半精加工和精加工；再掉头装夹对底部进行粗加工、半精加工和精加工，并保证剃须刀整体高度。
（2）确定工件坐标系及加工刀具
根据毛坯的特征，为了方便编程基准和对刀基准重合，设置坐标系为毛坯中心上表面，其装夹方式以底面和两侧面为装夹定位基准，利用平口钳夹紧工件并保证工件露出45mm的高度。
根据机床的刚性、毛坯材料，模型结构和切削用量等创建刀具。在“创建刀具”命令中，分别创建D6立铣刀和R2球头铣刀。
（3）编制加工工序
根据零件的加工要求，编制如下加工工序：
铣标准面 → 开粗 → 精加工 → 等高线切削 → 轮廓切削 → 螺旋切削 → 三维偏移切削 → 轮廓切削 → 掉头装夹 → 新建坐标系 → 重复轮廓开粗+精加工 → 重复端面加工。
（4）后处理
根据实际使用的机床在后置处理中选择“华中数控机床”，生成G代码，修改相关参数，点击确定键，生成TXT格式G代码加工程序。将程序利用计算机或U盘传送数控机床，使用华中数控四轴铣床完成电动剃须刀的加工任务。
5、结论
对已有产品进行新的开发设计，是制造业中的不可或缺的环节。以逆向工程技术为基础，对复杂曲面零件进行再创造并用数控加工技术进行加工研究，对于推动社会经济发展具有显著的现实意义。
参考文献
[1] 李粉霞、杨洁明.基于逆向工程的复杂曲面数控加工[J].机械工程与自动化，2008（3）：65—66.
[2] 黄斌达，王琦，陈发威.复杂曲面零件的逆向建模及数控加工仿真的研究[J].组合机床与自动化加工技术，2010，12（12）：97—100.