摘要:采用意大利COORD3 公司的AERS 三坐標(biāo)測量機采集數(shù)據(jù),利用英國DELCAM 公司的CopyCAD 軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理,導(dǎo)入中國北航- 海爾的CAXA 制造工程師軟件系統(tǒng)重構(gòu)曲面,并生成NC 程序,從而實現(xiàn)零件的快速制造.
關(guān)鍵詞:逆向工程;曲面重構(gòu);CAXA;快速制造
1 引言
美國等發(fā)達國家把敏捷制造技術(shù)列為21 世紀制造業(yè)發(fā)展的策略,也逐漸得到世界上其他國家的普遍重視. 作為敏捷制造技術(shù)重要分支的逆向工程技術(shù)為快速設(shè)計和制造提供了很好的支持,它已經(jīng)成為制造業(yè)信息傳遞的重要而簡潔的途徑之一. 逆向工程技術(shù)在加快產(chǎn)品開發(fā)速度、降低成本以及借鑒和吸收現(xiàn)代高新技術(shù)成果方面越來越顯示出強大的威力,已經(jīng)成為人們實現(xiàn)產(chǎn)品概念設(shè)計與復(fù)雜設(shè)計的有力武器.
逆向工程技術(shù)主要包括采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、造型以及加工制造等幾個步驟. 其中造型是逆向工程的關(guān)鍵技術(shù). 由于逆向工程技術(shù)源于美國等發(fā)達國家,其造型軟件習(xí)慣上都是用美國Imageware 公司的Surfacer、PTC 公司的Pro / E、EDS 公司的UG/PointCloud,法國Matra 公司的Strim 100,英國Del-CAM 公司的CopyCAD、Renishaw 公司的Trace 等.
這些國外原版的CAD/ CAM 應(yīng)用軟件價格昂貴、語言交流存在障礙、后續(xù)服務(wù)不到位、人員培訓(xùn)不足、技術(shù)問題溝通不便,且與我國工程設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)、作圖方法和工程習(xí)慣有所不同,給我國企業(yè)的工程技術(shù)人員開發(fā)和應(yīng)用帶來極大的不便.
本人經(jīng)過長期的調(diào)研和實踐,采用中國北航-海爾的CAXA 制造工程師軟件( 以下簡稱CAXA)重構(gòu)曲面,并生成NC 程序,能較好地完成零件的造型,且易掌握.
CAXA 是北航海爾軟件有限公司和青島海爾集團研制推出的,它的造型方法分為三大類,即線架、曲面和實體. 這三類造型方法各有特色,可以獨立造型,也可以混合造型,并提供了十二種數(shù)控加工刀具軌跡生成方法,形成強大、實用的加工編程能力,足以對付平面和各種復(fù)雜曲面的加工,只要由三軸銑加工出來的曲面,CAXA 都能進行刀具軌跡生成并自動生成數(shù)控加工的NC 代碼,從而在數(shù)控機床上直接進行切削加工.
本文以一塑料殼體外表面的逆向工程設(shè)計、制造為例,采用意大利COORD3 公司AERS 三坐標(biāo)測量機采集數(shù)據(jù),利用英國DELCAM 公司的CopyCAD軟件系統(tǒng)處理數(shù)據(jù),導(dǎo)入中國北航- 海爾的CAXA重構(gòu)曲面,并生成NC 程序,從而實現(xiàn)零件的快速制造.
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2 逆向工程及其流程
逆向工程的流程通常是首先利用3D 數(shù)字化測量儀器準(zhǔn)確、快速地測量出現(xiàn)有工件(樣品或模型)的輪廓坐標(biāo),再通過各種軟件對曲面進行建構(gòu)、編輯、修改,傳至CAM 系統(tǒng),生成NC 程序,最后送至CNC 加工機床制作所需模具,或送到快速成型機(Rapid Prototyping)將樣品模型制作出來. 其工藝流程如圖1 所示.
其中,三維數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)是逆向工程的三大關(guān)鍵技術(shù). 本文也主要圍繞這三個方面來分析.
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3 三維數(shù)據(jù)的采集
在逆向工程中,準(zhǔn)確、快速、全面地獲取實物的三維幾何數(shù)據(jù)是實現(xiàn)逆向工程的基礎(chǔ). 隨著傳感技術(shù)、控制技術(shù)、制造技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了各種各樣的數(shù)據(jù)采集方法,主要有接觸式、非接觸式和破壞式三大類,其中代表性的數(shù)據(jù)采集設(shè)備有三坐標(biāo)測量機(CMM)、光學(xué)掃描儀和斷層掃描儀.
本次測量采用了意大利COORD3 公司AERS的三坐標(biāo)測量機,通過對長49 mm、寬120. 8 mm、高74. 7 mm 的塑料殼體外表面進行多向有序掃描,掃描點達10 339 個,得到數(shù)據(jù)點云. 該點云以文本文件格式(. txt)存盤,可供CopyCAD(圖2)、Pro / E、UG等應(yīng)用軟件使用.
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4 數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理是逆向工程的關(guān)鍵一步,其處理效果將直接影響后期模型重構(gòu)的質(zhì)量. 本設(shè)計采用最簡潔的方法,即通過人機交互判別明顯壞點,然后將壞點、噪聲點去除. 接著對曲面的特征點、特征線進行判定,獲得滿意的曲線,并光順處理,為下一步曲面重構(gòu)作好準(zhǔn)備.
考慮到CAXA 不能直接讀取文本格式的點云文件,而Pro / E、UG 等軟件讀取點云數(shù)據(jù)時,也會因為數(shù)據(jù)龐大,造成一定的困難. CopyCAD 讀取點云等數(shù)據(jù)時,系統(tǒng)工作速度較快,點線擬合容易,因此數(shù)據(jù)處理選擇在CopyCAD 中進行.
具體操作步驟如下:
在CopyCAD 軟件中,利用標(biāo)準(zhǔn)工具欄中的Point Editing,選中并刪除壞點,單擊Triangle Generation,用其子工具欄的Triangulation Wizard 作出三角形模型;利用Model Editing,限制模型周邊多余三角形;再單擊Triangle Editing,選中并刪除壞的三角形,最后得到所需三角形模型(圖3). 單擊標(biāo)準(zhǔn)工具欄中Curve Generation,利用Boundaries、Horizonline、Discontinuities、Scan lines 或Triangle ModelCross Section 等曲線生成方式,生成曲面重構(gòu)所需的特征曲線. 最后單擊Curve Editing,用其子工具欄的Curve Smoothing 進行光順處理.
為了使下一步CAXA 的曲面重構(gòu)中能重構(gòu)出光順、誤差極小的曲面,我們還必須由CopyCAD 得到足夠的特征曲線(圖4),并保存為曲線文件(. igs 文件).
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5 曲面重構(gòu)
進行面的擬合時,CopyCAD 所提供的工具較少,且面的質(zhì)量不高. 在很多時候,它做成的面,常需要在PowerMILL、PowerSHAPE 軟件中修改. Pro /E、UG 做的面質(zhì)量較高,但是軟件使用難度大. 綜合考慮,我們選用CAXA 重構(gòu)曲面.
在CAXA 中打開上述由CopyCAD 導(dǎo)出的曲線文件(. igs 文件),利用其邊界面、網(wǎng)格面、放樣面、導(dǎo)動面等曲面工具進行分片曲面造型,最后進行曲面過渡、拼接、縫合等操作,形成理想曲面.
CopyCAD 導(dǎo)入的每條特征線,CAXA 都認為是獨立曲線,且線上的每一點都可以用最近點進行捕捉. 更為重要的是,CAXA 曲面造型不需要草圖,因此導(dǎo)入的每條特征線一般都可直接用來重構(gòu)曲面.若某些特征線不符合曲面造型條件時( 如邊界面要求曲線首尾相連等),則可方便地對它們進行如曲線裁剪、過渡、打斷、組合、延伸、刪除等編輯處理.
當(dāng)然,也可以通過捕點方式,利用曲線工具,如直線、圓弧、圓、樣條線等重繪曲線. 由于曲線是由CopyCAD 導(dǎo)入的或通過捕捉導(dǎo)入的特征線上的點繪制的,因此只要在CopyCAD 中控制好特征線誤差,就可簡便地得到誤差很小的曲面(圖5).
造型中遇到最沮喪的事莫過于費了好大力氣造出的曲面根本不光順. 筆者的心得是:某些導(dǎo)入的曲線由于本身的原因,或在導(dǎo)入過程中數(shù)據(jù)丟失造成不光順,這時可用樣條曲線工具,利用端點、最近點在原曲線上捕點重新繪制. 這也是我為什么強調(diào)在CopyCAD 中要取得足夠特征線的原因(少了不好補,多了可刪除). 捕點的數(shù)量及位置需通過經(jīng)驗判定,前提是保證光順及誤差小. 若要檢驗曲面的光順程度,可將曲面存成*. igs 文件,再在Pro / E 中進行著色曲率分析(圖6).
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6 數(shù)控加工
CAXA 能直接對曲面進行虛擬數(shù)控加工. 先單擊主菜單“應(yīng)用”中子菜單“軌跡生成”,選擇合適的加工方式、加工參數(shù)、刀具、切削用量、進退刀方式,生成加工軌跡( 圖7);再單擊子菜單“ 軌跡編輯”,進行刀位裁剪、反向、插入、刪除等處理及軌跡的打斷、連接、參數(shù)修改等編輯. 最后單擊子菜單“ 軌跡仿真”,進行仿真加工(圖8),觀察滿意后再單擊子菜單“后置處理”,生成、校核G 代碼及生成工序單,經(jīng)手工修改、調(diào)試、檢驗送至電火花線切割機或加工中心加工.
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7 結(jié)束語
用CAXA 作逆向工程曲面重構(gòu)時,總體覺得比較簡便、好用. 除與Pro / E 一樣具有曲面造型功能強大的特點外,還具有以下明顯優(yōu)勢.
首先,CopyCAD 軟件導(dǎo)出的特征曲線,Pro / E 認為是一個整體,不能直接對其中線條進行獨立的編輯. 而且只認可曲線的起點或終點,其余點則一概不識,給繪制自由曲線、創(chuàng)建自由曲面帶來不便.CAXA 認為導(dǎo)入的每條曲線是一個獨立的對象,可直接進行各種編輯,而且認可曲線上的所有點.
其二,Pro / E 除繪制自由曲線、創(chuàng)建自由曲面不需創(chuàng)建草圖,其余的曲面造型都得按部就班,先作草圖平面、參考基準(zhǔn),再創(chuàng)建草圖,最后才能生成曲面,過程煩瑣,對空間概念要求很高. CAXA 作面,無須草圖,特別是可直接利用導(dǎo)入的特征曲線重構(gòu)曲面,并進行模擬數(shù)控加工.
美中不足的是,在CAXA 中,渲染的曲面顏色單調(diào)、干澀,缺乏對曲面光順、誤差等分析模塊. 另外,其自動生成的NC 程序需手工大量修改、調(diào)試后方能使用.
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參考文獻:
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