工业产品数字化设计及数控加工应用范文

摘要：通过逆向设计与数控加工相结合实现产品快速开发制造。利用产品的形状特点，采用三维扫描仪扫描海豚零件的三维轮廓数据，应用数据处理软件GeomagicWrap快速、高效地进行点云数据处理、多边形模型处理；应用专用逆向软件GemagicDesignX重构工业产品的三维实体模型，并进行误差分析；应用SIEMENSNX软件完成该模型的三维数控加工的程序编制，经实体验证仿真加工确保无误后，生成数控加工代码，在机床上加工出产品。在工程实际中具有一定的指导和借鉴意义。

关键词：逆向工程；数字化设计；三维扫描；数据处理；模型重构；数控加工

逆向工程是近几年发展起来的先进制造技术，已广泛应用于机械行业、航空航天、汽车、生活用品、医学、艺术和建筑等领域。采用逆向工程的方法进行原型快速重建，在此基础上进行设计创新、样件加工、模具设计等快速开发制造的方法，已经成为工程技术人员快速获取设计模型的重要手段。逆向工程是利用三维数字化测量设备测量三维实物（样品或模型），准确、快速测得实物或者模型的三维轮廓数据，通过专业逆向软件进行模型的重构与再设计，生成具有通用输出格式的曲面或实体三维数字化模型，利用设计、编程软件生成NC加工刀具路径，或者快速原型制造系统所需的模型三维几何数据，用于复制加工出实物或其原型的制造过程［1］。具体流程如图1所示。本文以工业产品海豚模型为例，采用三维扫描仪测量产品的三维轮廓数据，应用逆向设计软件Geomagic重构产品的三维模型，应用SIEMENSNX软件对CAD模型进行数控加工编程，并模拟加工产品。

1产品的逆向设计

产品逆向设计流程：三维轮廓数据采集→点云数据处理→参数曲面重构→曲面拟合误差分析。

1．1零件三维轮廓数据采集

实体的三维轮廓数据采集是逆向工程关键技术之一。三维轮廓数据采集就是使用一定的测量设备对被测实体进行数字化的过程，即用一系列离散的点来提取产品对象的曲线、曲面的三维形状信息［2］。数据采集质量决定重构实体模型的质量，并影响最终加工产品能否真实反映原始实体模型，是整个逆向工程技术的基础。本文的三维轮廓数据采集是利用先临科技有限公司生产的Shining3D－Scanner系列三维扫描仪，采用光栅扫描技术，标志点全自动拼接，扫描效率较高。数据采集如图2所示。采集要求：点云完整；杂点、噪声点尽量少；点云分布尽量规整平滑；保留其原始特征。首先观察物体表面亮度。物体的表面亮度对扫描工作很重要。若被扫描工件的表面具有反光特性（如金属制品），应喷涂显像剂。若被扫描工件的表面具有吸光特性（如黑色物体），也要喷涂显像剂。显像剂喷涂时距离工件约为30cm，尽可能薄且均匀。一些不反光也不吸光的物体可以直接扫描。扫描工件的表面要保证干净，无明显污渍，扫描时可借助支架或者橡皮泥将工件放稳再进行扫描。其次通过粘贴标志点进行工件不同视角自动拼接。为了完整扫描三维实体，三维扫描仪需要通过不同角度对工件进行拍摄获取数据，因此，被扫描物体表面需要粘贴标志点，以便不同角度数据可以顺利拼接。标志点主要是一定直径大小的黑白同心圆点，需要根据零件的大小选择标志点直径。本文扫描的海豚模型幅面为100～200mm，因此选择的是10mm直径的标志点。标志点粘贴时要粘牢、粘平，不能有污渍，尤其黑色和白色部分要分明。标志点要尽量粘贴在平面区域或者曲率较小的曲面，尽量远离工件边界，不能粘贴在一条直线上，也不要粘贴对称；一般扫描仪公共标志点至少为3个，每个面建议粘贴5～7个为宜。若是在喷有显像剂的工件上粘贴标志点，为了避免脱落，可用棉签沾水先擦掉要粘贴处的白色粉末，再进行粘贴，但这项操作需要技术人员具有丰富的扫描经验，一般也可先贴标志点，再进行喷粉，最后用棉签蘸水擦除标志点上的白色粉末。将扫描仪标定好后进行工件的扫描操作，市场上三维扫描仪一般都是通过上下面都具有旋转功能的转盘来旋转工件。不论是哪种类型的三维扫描仪，都需要移动工件或移动扫描仪进行多幅扫描，产品扫描的2个角度之间通过公共标志点进行拼接，所有角度拼接完毕即可获得工件的整体轮廓数据。扫描后的工件点云如图3所示。图3中共9片点云。

1．2产品点云数据处理

产品实体经过三维扫描仪扫描后，获得代表工件特征信息的三维点云数据需要专用的逆向设计软件进行三维模型的重构；但是如果扫描的点云数据中存在问题，就会对后续的建模产生较大影响。因此，在进行模型构建之前，需要对产品三维点云数据进行预处理，以获得完整、正确的点云数据来进行后续的重构操作。数据处理主要有杂点去除、噪声平滑处理、数据精简、点云对齐等操作。本文选用的GeomagicWrap是一款专用逆向数据处理软件，能够快速进行上述处理工作，完成3D扫描数据到三角面片的过程，可将三角面片保存成STL模型导入后续逆向设计软件进行模型重构。处理后的海豚产品三角面片模型如图4所示。

1．3参数曲面重构

在获得产品表面三维点云数据并进行点云的预处理之后，生成的多边形模型（STL格式），表面质量较差且三角面过多，是不能直接用于机械加工或者数控加工的，因此需要根据曲面（一般为STL格式）构建出最后所需要的CAD实体模型，实体模型能作为IGES／STEP文件输出，并输入任何CAD／CAM系统中。重构CAD实体模型的质量既要满足光顺性的要求，又要保证精度。GeomagicDesignX是目前应用比较方便的专用逆向设计软件，并且可以与其他三维软件进行无缝对接，非常适合工业零部件的逆向设计。1）步骤一：领域划分。根据产品的几何形状对模型划分自动区域，通过编辑块的面积和位置，从而更准确拟合曲面。相比其他逆向软件，GeomagicDesignX中的“领域组划分”模块是最具有优势的功能模块，是以物体的几何形状、曲面特征等领域分类为形状特征的基准［3］，根据海豚模型的结构，敏感度数值输入10，平滑滑块放在1／3格，结果如图5所示。2）步骤二：坐标系建立。软件建立坐标系的方法有3－2－1坐标系和X－Y－Z坐标系2种，即根据模型的点－线－面或者3个互相垂直的棱线构建坐标系，分析海豚模型的特征，选择底面作为XY平面，通过绘制与底面垂直的YZ平面，进行坐标系对齐，对齐后的效果如图6所示。3）步骤三：逆向建模。首先分析海豚产品的结构特征，通过领域的划分，利用“曲面拟合”命令拟合海豚身体和鱼尾的自由曲面，再通过“剪切曲面”命令进行修剪曲面；海豚的鱼鳍可使用“基础曲面”进行拟合修剪；海豚的尾部“3D面片草图”获取鱼尾 的3D曲线，再使用“放样曲面”功能获得曲面，然后与鱼身曲面进行修剪；海豚底部特征可利用“面片草图”功能获得曲线，以特征曲线为基础，通过拉伸曲面进行修剪；最后进行“缝合”命令获得三维实体，结果如图7所示。利用GeomagicDesignX软件右侧区域的类型下方的“偏差”按钮，软件自动比对所建立的模型与扫描出来完成的STL模型之间的误差分析。鼠标光标放在模型的任何一个地方都有误差数据显示。实体模型与扫描点云的误差分析效果如图8所示，绿色部分为误差控制在±0．1mm以内的区域，可知，拟合的曲面精度合格。

2产品的数控加工

重构生成海豚产品的三维实体模型后，就可以对其进行数控加工了。模型中曲面较多且较复杂，曲面起伏变化较大，需要选定装夹方案，设置装夹工艺凸台。本文选用SIEMENSNX软件进行数控自动编程，对模型数控加工，毛坯选择160mm×70mm×70mm，能够通过选择粗加工和精加工方法及刀具，模拟加工零件，并生成后处理程序，经修改后传输到数控机床。

2．1加工工艺流程

该零件毛坯为铝合金材料，属于复杂曲面类零件，为了便于区分，可将零件分成正、反面进行加工。结合SIEMENSNX软件，对零件进行工艺性分析，编制零件的加工工艺规程（见表1）。按照加工工艺路线的安排，对零件正反面均进行粗加工、半精加工和精加工。

2．2刀具路径生成

在SIEMENSNX软件中，设置基准坐标系，装夹形式以底面和两侧面为装夹定位基准，利用精密机用虎钳定位夹紧工件。根据机床的刚性、毛坯材料、零件结构和切削用量等创建刀具［4］。设置切削方式、每次切削深度、切削模式、加工余量、进给率和主轴转速等相关参数，点击生成刀具路径轨迹。系统生成的刀具路径轨迹如图9所示。

2．3仿真加工及后处理

生成零件的加工路径后，可用SIEMENSNX软件的3D模拟切削功能来检验刀具路径的正确性，仿真加工图如图10所示。仿真加工无误后，可执行后处理，不同的机床能识别的数控代码不相同，所以不同的机床必须使用不同的后置处理文件。零件的加工设备是铣削加工中心，采用西门子840D数控系统，支持DNC在线加工。点击SIEMENSNX软件【工序导航器】→拾取已生成的刀具轨迹→生成G代码，选择机床型号，修改相关参数，即可生成TXT格式的G代码加工程序。将生成的数控程序，利用数据线或U盘输送到数控机床，即可利用数控机床制造出海豚零件的三维实体，产品加工实物如图11所示。

3结语

本文利用三维扫描仪获取了工业产品海豚模型的三维轮廓数据，再通过专用逆向建模软件GeomagicWrap和GeomagicDesignX实现了产品的CAD模型重构，并将模型导入到SIEMENSNX软件进行了加工轨迹规划，合理选择了加工刀具，针对模型结构特点选择了合理的加工工艺方法。证明了逆向数字化设计与数控加工结合作为新产品开发的必要手段，能够实现零件快速制造，操作方法便捷，满足逆向工程需求，其他具有复杂曲面的工业产品也可使用本方法进行快速开发制造。

参考文献

［1］卢允娥．反求工程中复杂曲面坐标测量的建模与仿真［D］．兰州：兰州理工大学，2008．

［2］赵刚．基于逆向工程对安全锤的设计与数控加工［J］．机械工程与自动化，2018，4（2）：199－200．

［3］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）：97－100．

［4］王亮德．复杂曲面零件的反求建模与数控加工探讨［J］．煤矿机械，2009，30（8）：118－120．

作者：高志华 刘旸 潘春生 李付克 单位：河南工业职业技术学院