研究逆向工程技術在食品機械中的運用

徐可

隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們的生活質量大幅度提升，對于飲食的要求也越來越高。食品工業(yè)作為國家輕工業(yè)的支柱產業(yè)，對于居民的生活質量起著決定性作用，食品工業(yè)的發(fā)展也帶動了機械產品的更新?lián)Q代，新的機械設備對于提升食品種類、安全以及質量都有著一定的推動作用。不過，當前我國食品機械行業(yè)的發(fā)展仍處于基層階段，產品的檔次以及創(chuàng)新性相對較低，設備的運行穩(wěn)定性、技術水平較低。為了更好地適應市場的需求，很多企業(yè)積極借鑒國外的先進技術，其中逆向工程技術成為最受重視的前沿技術形式之一。

一、逆向工程技術概述

逆向工程技術是指在工業(yè)生產過程中，通過對實體物的反向操作而生成計算機幾何圖形，以此獲取物體模型的一種技術手段，一般被稱為“反求技術”。當前國內外對這方面的研究逐步深入，已逐步突破實際測量、數(shù)據(jù)處理、CDA重建領域，獲得越來越廣泛的應用。

相較于正向建模這種將概念以及模型向實際產品轉化的技術手段，逆向建模首先需要獲取已有的原型，經過三維掃描后，用計算機軟件系統(tǒng)處理，然后根據(jù)處理結果進行曲面重構，確定總體方案后，經過數(shù)控機床加工，最終獲得新的產品。當前這種技術多應用于發(fā)達國家，利用該技術制造的食品機械較為成熟、穩(wěn)定，具有良好的配置以及使用性能。

一般的反向方案是將機械進行拆解，并將軟件拆分成若干個部件以及零件，再將此類部件總體測繪后建模，根據(jù)方案圖紙以及工藝分析后，加工成零件，最終將其裝配成產品。這種建模的開發(fā)周期相對較長，對于部分工藝比較復雜的產品而言，其難度以及成本相對較大。而逆向建模是將所需要設計的零部件系統(tǒng)掃描，以便獲取其復雜的外部特征，再通過打印設備獲取數(shù)據(jù)，然后進行掃描以及仿制。

二、食品機械中逆向工程的關鍵環(huán)節(jié)

“凸輪導槽”是常見的食品機械部件，其封口的部件為嚙合緊壓面片，在使用時容易發(fā)生損毀，并且更換難度較大。因此在進行零件的設計時，可以通過逆向工程進行研制。

1.機械特征信息處理。在進行食品機械產品的設計時，首先應用建模軟件進行系統(tǒng)掃描，獲取其直觀的數(shù)據(jù)信息。這種三維掃描技術最開始應用于大型企業(yè)的機械行業(yè)，發(fā)達國家的技術較為先進，早在20世紀90年代便開始采用。在食品機械行業(yè)中，通過獲取外觀的機械尺寸，便能夠獲取立體尺寸數(shù)據(jù)，經過計算機處理后將信息向數(shù)控加工機床輸送，以獲取機械的特征信息。完成掃描后，測量產品的尺寸信息，根據(jù)三維掃描的特點測量零件表面各個位置數(shù)據(jù)來進行產品的仿制，然后便可以獲得相同的產品模型，整體的精確度較高。

2.零件的數(shù)據(jù)采集與處理。獲取關鍵的產品零件數(shù)據(jù)是后續(xù)各項工作的基礎，在進行數(shù)據(jù)采集時，需要保證采集設備指標的準確性以及完整性，為后續(xù)各項方案切實提供保障。（1）在進行信息采集時，首先對機械的結構進行充分分析，合理規(guī)劃采集方案。因為產品對于凸輪槽表面有較高的要求，所以在采集時應該采用經過標記處理的非接觸式掃描儀進行掃描;因為產品識別具有一定的難度，在對非對稱面進行掃描時，應該通過拼接掃描的形式進行自動拼接。為了確保最終掃描能夠順利完成，可以在平面區(qū)域或者是曲率相對較小的位置規(guī)劃標識位置，以防止對曲面的特征造成影響。根據(jù)三點原則確立平面，標志點的位置應該位于相同的直線上，正反兩面避免對稱粘貼。為了能夠自動完成拼接，在相鄰的旋轉角度間，公共標志點應該在四個以內，從而獲得更加精確完整的數(shù)據(jù)。（2）將所獲取的數(shù)據(jù)通過點云處理的方式導入逆向軟件工程中，經過一系列的處理之后，獲取多邊形的模型以及網格，同時將其自動轉化為曲面的形式。因為產品設計時需要考慮曲面的光滑度，所以在進行處理時對產品進行數(shù)字化設計，能夠確保最終產品的機械特征。

3.特征曲線的獲取。在進行特征信息的獲取時，要對凸輪槽機構進行詳細剖解分析，從整體開始最后延續(xù)到局部。在進行特征分析時，需要通過科學的分析儀器獲取數(shù)據(jù)，比如借助于測量機量取凸輪槽圓柱的高度以及半徑等，隨后手動測量圓柱的表面孔徑以及側向的孔徑信息，借助于三維掃描后的點云信息獲得凸輪槽曲線以及孔徑數(shù)據(jù)。首先在相同的角度上測量槽面高度，曲面完全對正后，將曲面向凸輪槽進行投影，根據(jù)擬合軟件來獲取流線數(shù)據(jù)。在相同的底面圓弧條件下，獲取均布曲線，根據(jù)等分線以及凸輪槽曲線的投影來進行命令查詢。了解不同座軸坐標，標記為曲面上的高度，根據(jù)所測量的坐標進行曲線線段的繪制。將所有的曲線進行連接，便獲得了高精度的凸輪槽外觀，經過控制點的調整最終獲得曲線。為了確保曲線的形狀吻合，還應該做好曲線的相切處理以及曲線率合理，將控制點減少，以便確保曲線的光順度。

4.創(chuàng)建零件特征。曲面生成時可以應用多種生成方式，在工具軟件中生成拉伸、旋轉、導動等命令以獲得曲面的點陣，將點陣進行直紋掃描、導動最后生成曲面，根據(jù)點陣以及曲線信息來獲取形狀，其它零件特征的創(chuàng)立方式包括圓角、橋面以及網格等。在獲得CAD曲面信息后，因為計算機輔助設計所獲取的曲面與原產品之間存在一定的差異，為了更好地對設計以及裝配進行配合，應該將重構獲得的模型數(shù)據(jù)導入文件中，再將軟件中的文件與原始點進行分析對比，從而獲得檢測的數(shù)據(jù)結果。在進行模型質量分析時，首先將CAD模型以及掃描的軟件數(shù)據(jù)內容設置為對象以及參考對象，再進行數(shù)據(jù)擬合，完成坐標對齊以及3D比較，呈現(xiàn)直接的彩色圖形直觀信息，然后根據(jù)數(shù)據(jù)結果了解圖形偏差，以確保其能夠符合產品的開發(fā)需要，最后軟件中的質量報告生成后將結果保存。

三、凸輪導槽的多軸加工

食品機械產品具有較多特色，制作方式主要是四軸加工。通過表面的加孔處理來實現(xiàn)其功能，槽以及側孔的加工采用四軸的模塊，因為零件相對較短，加工時應該通過輔助元件來進行裝夾，編程時則借助于計算機軟件生成加工程序。

首先進行粗加工，在加工時將余量除去，選擇標準尺寸的立銑刀，通過四軸柱面曲線加工的方式進行往復加工，降低刀具的運行次數(shù)。采取“直線下刀”的方式進行切入，避免因為過度的振動導致刀具出現(xiàn)誤操作或是器具損壞。在沿著切線切入時，其槽深度應該為10mm;在進行分層切入時，切入的深度應該維持在3mm，同時應該將切入?yún)?shù)維持在剛性范圍中，以確保最終的工作效率。

在進行精加工時，選擇科學的刀具參數(shù)和尺寸后進行環(huán)形走刀，通常刀具為硬質合金立銑刀，可以確保曲面的精度滿足規(guī)范，環(huán)形旋轉維持加工的行距為1mm? ? 左右。

完成工藝處理后需要做好零件仿真加工前的檢查，所借用的軟件為計算機仿真軟件。為了更好地驗證工藝結果，需要通過軟件仿真模塊進行程序優(yōu)化，呈現(xiàn)粗加工以及細加工后的直觀結果。通過加工機床系統(tǒng)進行零件程序的后續(xù)匹配，通過軟件生成相應的零件程序仿真匹配系統(tǒng)，借助于在線傳輸?shù)拇鎯斎肽Ｊ剑瑢?shù)據(jù)向機床中導入。根據(jù)實際的零件加工結果，在配有系統(tǒng)四軸聯(lián)動的加工中心上采用定位的加工成型模式，將所有的零件一次性完成夾裝，同時用新的零件將損毀的零件自動替換，還可以進行后續(xù)設備的操作環(huán)節(jié)，在導槽機構運行正常的情況下，能夠投入正常使用，滿足食品加工的實際需求。

四、結論

隨著工業(yè)技術的持續(xù)升級和發(fā)展，制造行業(yè)的自動化水平不斷優(yōu)化，關鍵零部件的生產也不斷復雜化，傳統(tǒng)的生產制造工藝逐漸被時代所淘汰，數(shù)字化時代的到來給食品機械工藝提出了新的機遇以及挑戰(zhàn)。通過數(shù)字化的方式進行零部件的加工，能夠大幅提升生產效率，而逆向技術作為一種新型的數(shù)字化技術手段，為制造業(yè)提供了全新的思路以及借鑒的典范，未來還需要不斷研究創(chuàng)新，從而為我國經濟發(fā)展以及人民生活質量的提升，提供充足且持久的動力。