王亮德，劉玉美

(濱州職業(yè)學(xué)院，山東濱州256603)

傳統(tǒng)修復(fù)零件的方法很多，目前應(yīng)用較多的是數(shù)控加工配合電火花工藝完成修復(fù)。而數(shù)控加工必須要以精確的產(chǎn)品資料如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)。對(duì)于部分待修復(fù)的零件，這方面的資料往往不全，甚至沒(méi)有任何資料，工程技術(shù)人員在修復(fù)時(shí)只能用簡(jiǎn)單的工具邊測(cè)量尺寸邊修復(fù)零件，這勢(shì)必造成很大的誤差，尤其對(duì)于形狀復(fù)雜的零件更是束手無(wú)策。逆向工程技術(shù)為這一難題提供了一個(gè)一體化的解決方案:待修復(fù)的復(fù)雜零件→數(shù)據(jù)模型→修復(fù)的零件，這是一個(gè)高效的三維加工路線。

在此研究中，采用了兩個(gè)不同的實(shí)例，每個(gè)被檢測(cè)零件表面都有損壞或破壞，如圖1所示:凸輪的邊緣已經(jīng)損壞;藝術(shù)塑像從模型中取出后，表面就有凹痕或缺口。這些被損壞的部分可以通過(guò)獲取CAD 數(shù)字模型修復(fù)，然后將CAD模型傳送到Pro/Engineer軟件的CAM模塊，生成G代碼并模擬仿真，最后由數(shù)控機(jī)床加工出真實(shí)的零件。

圖1 零件破損和損壞區(qū)域

1 CAD模型的產(chǎn)生

1.1 CMM測(cè)量與生成數(shù)據(jù)點(diǎn)云

系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括:三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、探測(cè)頭、控制單元和PC。這次應(yīng)用的是D.E.A Scirocco 橋式CMM，用Renishaw PH9 裝配接觸式探測(cè)頭，主要軟件是野火版Pro/Engineer CAD/CAE/CAM 集成系統(tǒng)、PC-DMIS測(cè)量軟件以及PC機(jī)上的Windows NT 操作系統(tǒng)。

被測(cè)零件表面被損壞或破壞的區(qū)域如圖1所示。零件的物理模型通過(guò)CMM的3 mm 直徑的探測(cè)頭進(jìn)行掃描(見(jiàn)圖2)，CMM 所測(cè)的接觸點(diǎn)的數(shù)據(jù)是根據(jù)測(cè)量表面觸點(diǎn)的曲率半徑的變化而確定的。測(cè)量的結(jié)果是一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)形式，而非相似數(shù)據(jù)，這在下一步的處理中是必須的。

圖2 用CMM 進(jìn)行掃描測(cè)量損壞零件

1.2 測(cè)量點(diǎn)的處理過(guò)程

CMM輸出的數(shù)值就是被測(cè)點(diǎn)的中心在x、y 和z軸方向的向量值，輸出點(diǎn)的格式與CAD模型的要求不一致。因此輸出的測(cè)量數(shù)據(jù)格式必須轉(zhuǎn)換成Pro/Engineer軟件可以接受的格式，才可以處理數(shù)據(jù)直接生成零件的模型。

1.3 零件3D CAD模型的產(chǎn)生與誤差調(diào)整

轉(zhuǎn)換了測(cè)量數(shù)據(jù)的模型格式后，可以直接生成應(yīng)用于Pro/Engineer CAD/CAE/CAM軟件的格式。在CAD模型中，模擬零件表面需要通過(guò)獲得的數(shù)字化點(diǎn)云定義零件的表面特征。表面特征包括連續(xù)表面和邊界。從自由形態(tài)模擬測(cè)量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生CAD模型的方法有兩種:第一種方法稱為曲線模型，在這種方法中，構(gòu)成曲線首先由測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生，也就是說(shuō)由構(gòu)成曲線網(wǎng)格產(chǎn)生曲面;另一種方法稱為表面模型，表面直接由所測(cè)得點(diǎn)云產(chǎn)生。

其次，將PC-DMIS 中產(chǎn)生的模型導(dǎo)入到Pro/Engineer 野火版CAD/CAM軟件中，最終將表面模型在Pro/Engineer軟件中修改為實(shí)體模型。

有兩種原因?qū)е铝怂@得表面模型存在誤差:由于敏感掃面最初的點(diǎn)云和曲線可能產(chǎn)生錯(cuò)誤，而必須用許多點(diǎn)來(lái)構(gòu)成真實(shí)的表面，但是電腦以及程序存儲(chǔ)不足以獲取所有的數(shù)值，在掃描時(shí)就將零件表面分成眾多很小的區(qū)域，并被定義為一個(gè)個(gè)的文件，最終它們又根據(jù)同一坐標(biāo)軸重新拼合。因此，不可避免會(huì)造成誤差的產(chǎn)生。利用現(xiàn)有的表面通過(guò)特征逼近的方式可以重構(gòu)不完整的區(qū)域，如圖3。

圖3 藝術(shù)塑像的3D-CAD模型的產(chǎn)生步驟

1.4 實(shí)例研究

以藝術(shù)塑像的修復(fù)為例，具體步驟如下:

步驟1，藝術(shù)塑像表面數(shù)字化。通過(guò)CMM 逐點(diǎn)掃描零件表面，也就是說(shuō)按照掃描的方向取點(diǎn)。為了獲得最好的點(diǎn)云，必須規(guī)劃好所測(cè)量的路徑。路徑的選擇與3D 數(shù)字模型密切相關(guān)，它直接影響到3D模型的質(zhì)量。

步驟2，點(diǎn)云的處理。點(diǎn)云的處理是逆向工程關(guān)鍵的一步，其結(jié)果直接影響到重構(gòu)模型的質(zhì)量。

步驟3，表面處理。由掃描獲得數(shù)據(jù)結(jié)合表面特征，需要經(jīng)過(guò)由點(diǎn)到曲線、由曲線到曲面、由曲面到實(shí)體的處理過(guò)程，并最終生成三維模型。

點(diǎn)的處理過(guò)程。由于半身塑像表面比較復(fù)雜，計(jì)算機(jī)及軟件不能儲(chǔ)存所有點(diǎn)的數(shù)值，整個(gè)模型不能只靠單一的表面數(shù)值產(chǎn)生近似表面，點(diǎn)云的預(yù)處理一般需要細(xì)分為許多部分，通過(guò)數(shù)值的細(xì)分，可以使點(diǎn)云的數(shù)值處理變得簡(jiǎn)單，精確程度也會(huì)提高，數(shù)據(jù)交疊的點(diǎn)將被刪除。

曲線處理。逆向工程的目標(biāo)就是產(chǎn)生精確、光滑的曲線和表面，每一條曲線可以直接由具有不同法矢的數(shù)據(jù)點(diǎn)生成，其結(jié)果是表面會(huì)更光滑、實(shí)體重構(gòu)會(huì)更容易。

曲面的產(chǎn)生。曲面可以通過(guò)曲線網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型獲取，如圖3所示。

步驟4，減少模型誤差。將零件錯(cuò)誤的曲面刪掉，新的曲面通過(guò)曲面路徑的方法獲取，由于損壞而失去的幾何形狀可以通過(guò)圖3所示的方式獲取。

步驟5，產(chǎn)生3D模型。表面模型可以在Pro/Engineer 野火版中轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型，如圖3所示。

2 CAD模型數(shù)控刀具路徑的連續(xù)性效應(yīng)評(píng)價(jià)

等參照線一般作為表面質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)，反射線或者強(qiáng)光突出線反映出的問(wèn)題很容易被等參照線捕獲，因?yàn)樗鼈儗?duì)表面法線的變化非常敏感。一個(gè)好的表面質(zhì)量的特點(diǎn)是具有良好的等參照線。它是一個(gè)反應(yīng)最初規(guī)律的工具，但是不能很好地反應(yīng)曲率。需要特別注意的是光線方向的選擇，如果N(u，v)是一個(gè)參數(shù)化的表面，L是平行光線，那么等參照線的給定條件為:

作者用等參照線分析功能，對(duì)已修復(fù)表面和原有表面進(jìn)行連續(xù)性分析，光滑的等參照線和反射線必定會(huì)產(chǎn)生光滑的曲面。如圖4所示。

圖4 重構(gòu)零件表面的反射線和等參照線分析

3 產(chǎn)生CNC程序和刀具軌跡

NC 加工工藝對(duì)加工表面有著特殊的要求，銑床對(duì)加工表面曲率半徑的大小有一定的限制。在CAD/CAM 環(huán)境下進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)，如果模型表面缺乏高度的連續(xù)性，當(dāng)?shù)毒邚囊粭l切削軌跡轉(zhuǎn)到另一條軌跡時(shí)，會(huì)導(dǎo)致切削速度的急劇變化，這種變化會(huì)在銑削加工過(guò)程中造成不良的震顫效果，這不僅影響表面切削質(zhì)量，同時(shí)也影響切削刀具的壽命，因此應(yīng)該最大限度地減少這種不良的效果，特別是復(fù)雜的曲面，應(yīng)保證刀具軌跡在加工過(guò)程中的連續(xù)性。在零件實(shí)體模型產(chǎn)生后，就可以進(jìn)行數(shù)控加工工藝規(guī)劃并產(chǎn)生用于機(jī)械加工的剪裁部位的數(shù)據(jù)，通過(guò)后置處理產(chǎn)生加工程序，最終依照產(chǎn)生的CAD模型加工出零件，銑削順序和軌跡代碼(G代碼)可以在Pro/MANUFACTURE模塊產(chǎn)生。如圖5和圖6所示。

圖5 生成頭像的刀具路線與實(shí)際加工

圖6 凸輪刀具路線與實(shí)際加工

圖7 影響數(shù)控刀具軌跡的連續(xù)性曲面片

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上實(shí)例可以看出逆向工程是一項(xiàng)開(kāi)拓性、實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)，它不僅消化和吸收實(shí)物原型，并且能修改再設(shè)計(jì)以制造出新的產(chǎn)品，逆向工程極大地提高了零件的制造精度，尤其對(duì)于復(fù)雜曲面零件，并且是在缺乏原始資料的情況下，其優(yōu)勢(shì)更是顯而易見(jiàn)的。

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