米老鼠凸模的逆向设计与数控加工

韩训梅

摘 要：米老鼠凸模的逆向制造过程，首先是用三坐标测量仪对米老鼠凸模进行点采集，然后选择UG软件来完成米老鼠凸模的造型;再次，利用CAM技术将米老鼠凸模的模型转化为NC代码，最后在铣床上加工出米老鼠凸模。将逆向工程与CNC相结合，来完成米老鼠的生产和再创造，配合高精密性的铣床或者加工中心，不仅能达到精度和质量要求，而且缩短了产品开发周期，使产品的消化吸收和二次开发工作准确快捷，大大的提高生产力。

关键词：UG  逆向建模  点云数据

中图分类号：TH164        文献标识码：A      文章编号：1674-098X（2015）10（c）-0007-03

Reverse Design and CNC Machining of Mickey Mouse Convex Mold

Han Xunmei

（Sanjiang University， Nanjing Jiangsu Province， 210012 China）

Abstract： In the processing of the Mickey Mouse convex mold reverse manufacturing， firstly， using CMM to collect points of Mickey Mouse convex mold; secondly ，selecting UG software to accomplish the model of Mickey Mouse convex mold; lastly， CAM technology model will be used into Mickey Mouse punch of NC code， and then process Mickey Mouse in the milling machine. Combining Reverse engineering with CNC to complete production and re-creation of Mickey Mouse， with high-precision milling machine or machining center， not only to achieve the precision and quality requirements， but also shorten the product development cycle so that products of digestion and absorption and secondary development of accurate and efficient， greatly improve productivity.

Key Words： UG; Reverse modeling; Point cloud data

传统的产品开发过程遵循正向工程（或正向设计）的思维，从市场需求信息着手，按照“产品需求—功能原理设计—结构及参数设计—工艺设计—样件制作—完成产品制造”这样的步骤开展工作，是从未知到已知、从抽象到具体的过程。随着国民经济的迅速发展，这种开发方式已经不能满足社会市场的需求。我国是一个制造大国但不是一个制造强国，沿海很多中小型企业都是為外国大企业进行代理生产制造，因此常会看到“MADE IN CHINA”的字样。没有属于自己的产品研发，很难适应当今国际经济的发展趋势。因此国家提出了技术革新，要有属于自己的产品设计、研究专利，并且要不断地推陈出新，研究出新的技术。采用逆向工程技术，可以直接在国内外已有的先进产品基础上进行数据测量分析、设计模型反求、再设计优化制造。这样，不仅可以更好地消化和吸收国外先进技术，紧随发达国家的步伐，扩大在世界经济市场的占有份额，而且可以打破西方国家对我国的技术封锁，从而研制出更先进的产品，以提高我国的综合国力。

1 逆向工程的工作流程

逆向工程是产品设计领域的一门关键技术，是根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程。逆向工程具体的工作流程先利用高速三维扫描仪对已有的样品或模型进行准确、高速地扫描，得到其三维轮廓数据，配合反求软件。

进行曲面重构，对重构的曲面进行评价分析，最终生成 IGES或STL数据，据此根据快速成型或CNC上加工制造。

该文研究米老鼠凸模的逆向设计与数控加工，具体的工作流程为：产品模型分析（米老鼠模型）→采集数据（三坐标测量仪）→点云处理及模型重构（NX8.5工程软件）→数控加工（CAM制造系统）→新产品（米老鼠凸模）。

2 米老鼠凸模的逆向建模

2.1 米老鼠凸模点云数据采集

点云数据是CAD模型重构的基础，通常依据点云的数据信息来构建曲线，进而构建曲面，从而生成实体模型。 高效、高精度地实现样件表面的数据采集是逆向工程技术实现的基础和关键技术之一[1]。

目前用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，根据测量方式主要分为接触式数据采集和非接触式数据采集两大类。接触式方法对物体表面的颜色和光照没有要求，物体边界的测量相对精确，但缺点是速度慢，对软质材料适应差，而且测点分布可能不理想;非接触式测速高， 但精度相对较低，而且对表面和光照要求高。

结合米老鼠凸模样件，如图1所示，由于其表面变化不规则，为了保证其测量精度最终选择接触式三坐标测量仪。米老鼠凸模呈现对称结构，采点时按凸模轮廓顺序采点，保证点的连续性以及方便后续的点云处理。比如鼻子部分需要多采集，因为鼻子部分曲面不规则，造面时需要度多个点来完成。而下颚部分曲面分布均匀，无需采集过多的点，这样才能方便后续的工作。图2就是通过三坐标测量仪测绘出米老鼠凸模的点云。

2.2 点云数据处理

在逆向工程中，用测量仪测量得到的被测物体外观上的点叫做点云。点云根据点云稀疏与否，分为两种，点数少、间距大的，称之为稀疏点云，一般情况下我们用三维坐标测量仪测量出来的是这种;点数量比较多、点与点间距较大的被命名为密集点云，一般情况下用三维激光扫描仪测出来的是这种。此次是三维坐标测量仪测的，是稀疏点云。

由于三坐标测量仪是人工手动的测量，有明显误差，而且点的关系较为散乱，不是十分明确，数据点互相没有太多联系，看不出相关性，只是一群较为散乱的空间点。并且扫描得到的外形产品的数据势必会有不必要的误差，尤其是边界附近，可能会有很多噪点杂点。这就要求先要进行处理，包括连接，排列，重构等等。

2.3 米老鼠凸模模型的构造

2.3.1 曲线的构建

在CAD软件中，线和曲面的建立常常交叉进行，线条的生成主要有以下几种方法：由点建立;由线生成;由面生成曲线。在此，主要借助UG软件，利用前面扫描的點云数据建立曲线。

首先将点云数据导入UG软件，选择“拟合曲线”命令，进行线条的创建。此处需注意，线的创建时根据部分点完成的，对于那些偏差较大的点，要将其剔除掉，这样才能保证构建的曲线的光顺性。以米老鼠的耳朵为例，图3是未剔除大偏差点构成的线，图4是剔除大偏差点后构建的曲线，明显光顺程度就大幅度提高了。按照此原则，可以完成点到线的构建。

2.3.2曲面的构建

米老鼠模型是个对称模型，因此对于整个模型的造面问题可以先造出半面，再利用“镜像”指令对半面进行镜像，这样可以造出整个模型。

具体的曲面构建要从以下两个方面来考虑：曲面变化曲率较小的情况用“直纹面”来构建曲面，而曲面变化曲率较大的用“扫掠”指令来完成。然后再将所有的片体进行缝合、修剪，构建出米老鼠的半面，如图5所示。最后将其镜像，得到米老鼠凸模的整个造型，如图6所示。

3 米老鼠凸模的数控加工

米老鼠凸模中曲面较多且较复杂，曲面起伏变化大，其加工过程需结合CAM技术，利用UG软件，模拟出刀具的走刀路径，确定无误后才能转化NC代码，再导入数控机床中完成实际加工。

3.1 仿真加工

在建模的基础上，点击按钮“”，打开“加工”命令，加工原点，根据曲面选择不同的刀具和加工方式，设置合理的工艺参数、切削用量、主轴转速等参数，生成米老鼠凸模的数控加工刀具路径。如表1 所示，为米老鼠凸模的数控加工工序表。

生成米老鼠凸模的加工走刀路线后，可用UG软件的仿真功能来检验刀具路径的正确性。如果仿真加工无误后，就可以执行后处理（post processing）。后置处理就是将刀具轨迹经过后处理文件转换成为数控机床能够识别的NC 程序。

3.2 实际加工

由于该次加工处理的数据较多，所生成的程序长，所以采用DNC加工方式，利用RS—232串行接口，将计算机和数控机床连接起来。通过通讯接口将程序输入到数控机床的数控系统中，再完成必要的毛坯装夹和对刀等操作后，就可以进行零件的自动加工了，最终加工成品如图7所示。

4 结语

借助三坐标测量仪，采集米老鼠凸模的点云数据，并基于点云数据利用UG软件构建曲线曲面、实体构建，最后利用数控机床完成实体的制造。这样的产品逆向制造过程，大大缩短了设计开发周期，提高了产品设计工作的效率，同时也表明了UG在逆向工程技术中具有很好的实用性。

参考文献

[1] 陈雪芳，孙春华.逆向工程与快速成型技术应用[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2] 单岩，谢斌飞.Imageware逆向造型技术基础[M].北京：清华大学出版社，2006.

[3] 赵险峰.车模的逆向工程与数控加工[J].武汉工业学院学报，2009，28（2）：69-71.

[4] 马淑梅，张曙，陈彬.以逆向工程为技术支撑的模具数控加工[J].制造业自动化，2001，23（9）：11-13.

[5] Yu K Lysyannyi，F FKlimovich，L N Khokhlenkov.Shaping of convex aspherical Surfaces of optical elements by the trajectory copying method on numerically controlled machines[J].Soviet Journal of Optical Technology，1989，56（4）：243-245.