米老鼠凸模的逆向設(shè)計與數(shù)控加工

韓訓(xùn)梅

摘 要：米老鼠凸模的逆向制造過程，首先是用三坐標測量儀對米老鼠凸模進行點采集，然后選擇UG軟件來完成米老鼠凸模的造型;再次，利用CAM技術(shù)將米老鼠凸模的模型轉(zhuǎn)化為NC代碼，最后在銑床上加工出米老鼠凸模。將逆向工程與CNC相結(jié)合，來完成米老鼠的生產(chǎn)和再創(chuàng)造，配合高精密性的銑床或者加工中心，不僅能達到精度和質(zhì)量要求，而且縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，使產(chǎn)品的消化吸收和二次開發(fā)工作準確快捷，大大的提高生產(chǎn)力。

關(guān)鍵詞：UG ?逆向建模 ?點云數(shù)據(jù)

中圖分類號：TH164 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：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

傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程遵循正向工程（或正向設(shè)計）的思維，從市場需求信息著手，按照“產(chǎn)品需求—功能原理設(shè)計—結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計—工藝設(shè)計—樣件制作—完成產(chǎn)品制造”這樣的步驟開展工作，是從未知到已知、從抽象到具體的過程。隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，這種開發(fā)方式已經(jīng)不能滿足社會市場的需求。我國是一個制造大國但不是一個制造強國，沿海很多中小型企業(yè)都是為外國大企業(yè)進行代理生產(chǎn)制造，因此常會看到“MADE IN CHINA”的字樣。沒有屬于自己的產(chǎn)品研發(fā)，很難適應(yīng)當今國際經(jīng)濟的發(fā)展趨勢。因此國家提出了技術(shù)革新，要有屬于自己的產(chǎn)品設(shè)計、研究專利，并且要不斷地推陳出新，研究出新的技術(shù)。采用逆向工程技術(shù)，可以直接在國內(nèi)外已有的先進產(chǎn)品基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)測量分析、設(shè)計模型反求、再設(shè)計優(yōu)化制造。這樣，不僅可以更好地消化和吸收國外先進技術(shù)，緊隨發(fā)達國家的步伐，擴大在世界經(jīng)濟市場的占有份額，而且可以打破西方國家對我國的技術(shù)封鎖，從而研制出更先進的產(chǎn)品，以提高我國的綜合國力。

1 逆向工程的工作流程

逆向工程是產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的一門關(guān)鍵技術(shù)，是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)（包括設(shè)計圖紙或數(shù)字模型）的過程。逆向工程具體的工作流程先利用高速三維掃描儀對已有的樣品或模型進行準確、高速地掃描，得到其三維輪廓數(shù)據(jù)，配合反求軟件。

進行曲面重構(gòu)，對重構(gòu)的曲面進行評價分析，最終生成 IGES或STL數(shù)據(jù)，據(jù)此根據(jù)快速成型或CNC上加工制造。

該文研究米老鼠凸模的逆向設(shè)計與數(shù)控加工，具體的工作流程為：產(chǎn)品模型分析（米老鼠模型）→采集數(shù)據(jù)（三坐標測量儀）→點云處理及模型重構(gòu)（NX8.5工程軟件）→數(shù)控加工（CAM制造系統(tǒng)）→新產(chǎn)品（米老鼠凸模）。

2 米老鼠凸模的逆向建模

2.1 米老鼠凸模點云數(shù)據(jù)采集

點云數(shù)據(jù)是CAD模型重構(gòu)的基礎(chǔ)，通常依據(jù)點云的數(shù)據(jù)信息來構(gòu)建曲線，進而構(gòu)建曲面，從而生成實體模型。 高效、高精度地實現(xiàn)樣件表面的數(shù)據(jù)采集是逆向工程技術(shù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

目前用來采集物體表面數(shù)據(jù)的測量設(shè)備和方法多種多樣，根據(jù)測量方式主要分為接觸式數(shù)據(jù)采集和非接觸式數(shù)據(jù)采集兩大類。接觸式方法對物體表面的顏色和光照沒有要求，物體邊界的測量相對精確，但缺點是速度慢，對軟質(zhì)材料適應(yīng)差，而且測點分布可能不理想;非接觸式測速高， 但精度相對較低，而且對表面和光照要求高。

結(jié)合米老鼠凸模樣件，如圖1所示，由于其表面變化不規(guī)則，為了保證其測量精度最終選擇接觸式三坐標測量儀。米老鼠凸模呈現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)，采點時按凸模輪廓順序采點，保證點的連續(xù)性以及方便后續(xù)的點云處理。比如鼻子部分需要多采集，因為鼻子部分曲面不規(guī)則，造面時需要度多個點來完成。而下顎部分曲面分布均勻，無需采集過多的點，這樣才能方便后續(xù)的工作。圖2就是通過三坐標測量儀測繪出米老鼠凸模的點云。

2.2 點云數(shù)據(jù)處理

在逆向工程中，用測量儀測量得到的被測物體外觀上的點叫做點云。點云根據(jù)點云稀疏與否，分為兩種，點數(shù)少、間距大的，稱之為稀疏點云，一般情況下我們用三維坐標測量儀測量出來的是這種;點數(shù)量比較多、點與點間距較大的被命名為密集點云，一般情況下用三維激光掃描儀測出來的是這種。此次是三維坐標測量儀測的，是稀疏點云。

由于三坐標測量儀是人工手動的測量，有明顯誤差，而且點的關(guān)系較為散亂，不是十分明確，數(shù)據(jù)點互相沒有太多聯(lián)系，看不出相關(guān)性，只是一群較為散亂的空間點。并且掃描得到的外形產(chǎn)品的數(shù)據(jù)勢必會有不必要的誤差，尤其是邊界附近，可能會有很多噪點雜點。這就要求先要進行處理，包括連接，排列，重構(gòu)等等。

2.3 米老鼠凸模模型的構(gòu)造

2.3.1 曲線的構(gòu)建

在CAD軟件中，線和曲面的建立常常交叉進行，線條的生成主要有以下幾種方法：由點建立;由線生成;由面生成曲線。在此，主要借助UG軟件，利用前面掃描的點云數(shù)據(jù)建立曲線。

首先將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入UG軟件，選擇“擬合曲線”命令，進行線條的創(chuàng)建。此處需注意，線的創(chuàng)建時根據(jù)部分點完成的，對于那些偏差較大的點，要將其剔除掉，這樣才能保證構(gòu)建的曲線的光順性。以米老鼠的耳朵為例，圖3是未剔除大偏差點構(gòu)成的線，圖4是剔除大偏差點后構(gòu)建的曲線，明顯光順程度就大幅度提高了。按照此原則，可以完成點到線的構(gòu)建。

2.3.2曲面的構(gòu)建

米老鼠模型是個對稱模型，因此對于整個模型的造面問題可以先造出半面，再利用“鏡像”指令對半面進行鏡像，這樣可以造出整個模型。

具體的曲面構(gòu)建要從以下兩個方面來考慮：曲面變化曲率較小的情況用“直紋面”來構(gòu)建曲面，而曲面變化曲率較大的用“掃掠”指令來完成。然后再將所有的片體進行縫合、修剪，構(gòu)建出米老鼠的半面，如圖5所示。最后將其鏡像，得到米老鼠凸模的整個造型，如圖6所示。

3 米老鼠凸模的數(shù)控加工

米老鼠凸模中曲面較多且較復(fù)雜，曲面起伏變化大，其加工過程需結(jié)合CAM技術(shù)，利用UG軟件，模擬出刀具的走刀路徑，確定無誤后才能轉(zhuǎn)化NC代碼，再導(dǎo)入數(shù)控機床中完成實際加工。

3.1 仿真加工

在建模的基礎(chǔ)上，點擊按鈕“”，打開“加工”命令，加工原點，根據(jù)曲面選擇不同的刀具和加工方式，設(shè)置合理的工藝參數(shù)、切削用量、主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)，生成米老鼠凸模的數(shù)控加工刀具路徑。如表1 所示，為米老鼠凸模的數(shù)控加工工序表。

生成米老鼠凸模的加工走刀路線后，可用UG軟件的仿真功能來檢驗刀具路徑的正確性。如果仿真加工無誤后，就可以執(zhí)行后處理（post processing）。后置處理就是將刀具軌跡經(jīng)過后處理文件轉(zhuǎn)換成為數(shù)控機床能夠識別的NC 程序。

3.2 實際加工

由于該次加工處理的數(shù)據(jù)較多，所生成的程序長，所以采用DNC加工方式，利用RS—232串行接口，將計算機和數(shù)控機床連接起來。通過通訊接口將程序輸入到數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)中，再完成必要的毛坯裝夾和對刀等操作后，就可以進行零件的自動加工了，最終加工成品如圖7所示。

4 結(jié)語

借助三坐標測量儀，采集米老鼠凸模的點云數(shù)據(jù)，并基于點云數(shù)據(jù)利用UG軟件構(gòu)建曲線曲面、實體構(gòu)建，最后利用數(shù)控機床完成實體的制造。這樣的產(chǎn)品逆向制造過程，大大縮短了設(shè)計開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計工作的效率，同時也表明了UG在逆向工程技術(shù)中具有很好的實用性。

參考文獻

[1] 陳雪芳，孫春華.逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2] 單巖，謝斌飛.Imageware逆向造型技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[3] 趙險峰.車模的逆向工程與數(shù)控加工[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2009，28（2）：69-71.

[4] 馬淑梅，張曙，陳彬.以逆向工程為技術(shù)支撐的模具數(shù)控加工[J].制造業(yè)自動化，2001，23（9）：11-13.

[5] Yu K Lysyannyi，F(xiàn) 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.