基于逆向工程对安全锤的设计与数控加工

赵 刚

(运城职业技术学院，山西 运城 044000)

1 逆向工程概述

逆向工程(也称反向工程或反求工程)是在没有零件图纸或零件图纸不完整以及没有CAD数据模型的情况下按照现有的实物模型[1]，使用数字化扫描仪可靠、准确和快速地扫描出模型点云数据，并利用Geomagic Wrap 2015等逆向工程软件进行点云数据处理，完成点云三角面片的转化；在此基础上使用Geomagic Design X等软件进行二次设计，实现模型和样品的“创新”，并完成实体建模；然后通过UG等软件，分析模型加工工艺，选择合理的加工方法和切削参数，生成刀具轨迹、NC加工代码并完成模型加工。

本文针对现有安全锤的模型和样品，采用逆向工程技术，完成安全锤的设计与数控加工。

2 点云数据获取

安全锤点云数据的获取是利用Win3DD单目三维扫描仪设备，使用非接触式测量方法获取。

(1) 由于安全锤模型属于高反光工件，在扫描过程中不利于数据点的获取，因此在扫描之前需要喷显影剂来改善安全锤的扫描特性。

(2) 为了得到更好的三维模型数据，确保扫描策略的顺利实施，标志点的粘贴至关重要。

(3) 确定扫描方式，因安全锤属复杂曲面零件，特征明显，所以选择“拼接扫描”方式。

(4) 准备工作就绪后进行安全锤扫描工作，将准备好的安全锤放置在3D扫描仪旋转平台上扫描公共点得到一部分数据，再利用旋转平台的另一面，依据公共点扫描得到安全锤缺失部分数据，查看扫描数据是否完整。

(5) 将数据保存为点云txt格式或asc格式(如图1所示)，之后导入到Geomagic Wrap 2015等逆向工程软件中进行点云数据处理。

3 点云数据优化处理

启动Geomagic Wrap 2015软件，选择菜单【文件】→【导入】命令或单击工具栏上的“导入”图标，系统弹出“导入文件”对话框，查找安全锤数据文件并选中“anquancui.asc”文件，然后点击【打开】按钮，在工作区显示载体。在该软件中依次完成主要的操作指令：

(1) 【着色点】：为了更加清晰、方便地观察点云的形状，将点云进行着色；

(2) 【设置旋转中心】：为了更加方便地观察点云对其放大、缩小或旋转；

(3) 【断开组件连接】：设置相关参数，删除多余的点云；

(4) 【体外孤点】：设置“敏感值”为100，删除所选中的点云；

(5) 【减少噪音】：设置相关参数减少噪声操作；

(6) 【封装数据】：该命令将围绕点云进行封装计算，使点云数据转换为多边形模型；

(7) 【孔填充】：点云处理完成，将优化处理好的点云数据保存为stl三角面片格式文件，如图2所示。

图1 安全锤点云数据图

4 安全锤逆向建模

使用Geomagic Design X软件进行安全锤逆向建模，启动Geomagic Design X软件，选择菜单【插入】→【导入】，导入已处理好的安全锤stl三角面片格式数据[2]；在建模过程中根据先主体后局部的原则分析安全锤零件结构，制定安全锤逆向建模步骤；点击领域组命令，选择手动划分领域组，根据安全锤曲面结构完成领域组划分；领域组划分完成后，根据右手笛卡尔直角坐标系的原则，修改对齐安全锤的工件坐标系。基础工作完成后，首先使用面片草图、回转指令完成安全锤锤头实体建模；其次使用面片拟合、曲面裁剪、曲面缝合等指令完成安全锤锤柄实体建模；再次使用3D草图、曲面放样等指令完成安全锤过渡曲面实体建模；最后使用倒角和圆角等基础命令优化修改安全锤局部形状，将完成的安全锤实体模型另存为igs或stp格式文件，如图3所示。

图2 安全锤面片图

5 利用UG 10.0软件完成数控加工

5.1 工艺分析

将DX软件处理好的安全锤导入到UG 10.0软件中，分析零件模型，创建160 mm×80 mm×20 mm毛坯及工艺加强筋板如图4所示。该零件毛坯为硬铝，零件为复杂曲面类零件，需正、反面加工。按照加工工艺路线的安排，对正反面均进行粗加工、半精加工和精加工。

图3 安全锤实体模型 图4 毛坯及工艺加强筋板模型图

5.2 确定工件坐标系及刀具选择

为了方便编程基准和对刀基准重合，设置坐标系为毛坯左下角上表面，其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并保证工件露出15 mm的高度。

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。在导航条按下【创建刀具】按钮，分别创建D6立铣刀和R3球头铣刀。

5.3 粗加工

型腔铣开粗，刀具选用D6四刃立铣刀，切削方式采用“跟随部件”，每次切削深度为1.2 mm，切削模式为“逆铣，深度优先，向外”，留0.2 mm加工余量。设置进给率和速度参数，主轴转速为3 800 r/min，进给速度为800 mm/min，快速定位速度为5 000 mm/min。设置其他相关参数，点击生成轨迹。

5.4 半精加工

半精加工刀具选用D6四刃立铣刀，切削方式为“轮廓”，每次切削深度为6 mm，切削模式为“顺铣，深度优先”，加工余量为零。设置进给率和速度参数：主轴转速为3 800 r/min，进给速度为600 mm/min，快速定位速度为5 000 mm/min。设置其他相关参数，点击生成轨迹。

5.5 精加工

固定轮廓铣精加工，刀具选用R3球头铣刀，驱动方式为“区域铣削”，切削模式为“跟随周边，向内，顺铣，步距恒定为0.25 mm”。设置进给率和速度参数：主轴转速为4 600 r/min，进给速度为800 mm/min，快速定位速度为5 000 mm/min。设置其他相关参数，点击生成轨迹。

5.6 后处理

后置处理与实际使用的机床相符合。点击【工序导航器】→拾取已生成的刀具轨迹→后置处理生产G代码，选择机床型号，修改相关参数，点击确定键，生成TXT格式的G代码加工程序[3]。将程序利用计算机或U盘传送到数控机床，使用数控设备完成安全锤的加工任务，产品效果图如图5所示。

图5 安全锤产品图

6 结语

基于逆向工程与数控加工技术对安全锤进行了设计研究，阐述了安全锤的总体工艺流程。介绍了三维扫描获取点云数据、三维模型重建、CAD/CAM的完整过程，最终完成了安全锤模型加工。文章对逆向工程关键技术、数控加工路径等环节进行了归纳，为复杂零件加工提供了经济高效的解决方案，具有一定的实际意义和应用价值。

参考文献：

[1] 李粉霞，杨洁明.基于逆向工程的复杂曲面数控加工[J].机械工程与自动化，2008(3)：65-66.

[2] 杨晓雪，闫学文.Geomagic Design X三维建模案例教程[M].北京：机械工业出版社，2016.

[3] 詹友刚.UG NX 10.0数控编程教程[M].北京：机械工业出版社，2017.