基于逆向工程的工业产品数字化设计与制造
2021-03-23张真真史红燕
张真真 史红燕
（济南工程职业技术学院，济南 250200）
传统的产品设计过程被称为正向设计过程，即从设计到产品的过程，要设计的产品是目前不存在的，设计人员通过对要设计的产品性能、外观、技术参数等的分析和构思，设计出产品数据模型，并研发数据模型，最终完成产品的设计和制造。运用逆向工程进行产品设计过程是从产品到设计的过程，根据已经存在的产品，借助CAD/CAM技术设备和软件，反推出产品的设计图或模型，从而进行加工制造的过程[1]。逆向工程在工业产品设计中的应用广泛，可以大大缩短产品的设计和研发周期，加快产品的更新换代速度，降低企业研发新产品的成本和风险，加快产品的造型和系列化设计[2]。
1 工业产品逆向设计与制造过程分析
工业产品的逆向设计过程如下，首先，利用扫描仪扫描产品实物，生成产品的点云数据，对获得的点云进行相应取舍，剔除噪点和冗余点；其次，利用处理好的点云图进行三维数字化逆向建模，对逆向建模的模型进行数字模型精度对比，检查建模的质量；再次，根据三维模型，利用仿真软件对产品进行编程与加工，制定加工工艺过程，编制加工工序卡；最后，利用自动编程软件，根据制定的工艺编制数控加工程序，仿真加工检验无误后，在数控机床上实际加工。
2 工业产品逆向设计与制造实例分析
2.1 产品三维数据采集
产品三维数据采集是逆向设计的第一步，采集到的点云数据质量将影响后面的三维建模质量和加工质量，所以三维数据采集的准确性至关重要。本次以电钻模型的数字化逆向设计与制造过程为例，根据手电钻的产品实物，利用扫描仪采集点云数据。
为保证扫描的精度和扫描数据的准确性，本次数据采集选用的扫描仪是ReacomSCAN3D三维扫描仪，其具有如下特点：拍摄类型灵活，镜头可以调节，大型扫描和微距扫描可在一台设备上实现，分辨率高；升降架滑动平稳，操纵自如；扫描完成后的点云数据可以依据“物体特征”“标记点”“旋转台”等多个选择项进行全自动拼接；具有全自动数控转台，操作简单。
三维点云数据采集完成后，采用三维后处理软件Geomagic Wrap提出采集到的点云数据中的杂点和冗余点，处理后的手电钻三维点云如图1所示。处理完成后的图形仍是点云图，无法直接用于零件仿真加工，所以需要进一步对零件进行三维数字化实体建模，将点云图转化成实体三维图。
图1 处理后的手电钻三维点云图
2.2 产品逆向三维数字化建模
将Geomagic Wrap处理后的三维点云图导入Geomagic Design X软件中进行三维数字化建模。Geomagic Design X可以将三维扫描数据转化为高质量的基于特征（实体数模、高级曲面建模、网格编辑和点云处理）的CAD数字化模型，并可以将建好的模型导入到SolidWorks、Siemens NX、 Autodesk Inventor、PTC Creo或Pro/Engineer中进行编辑[3]， 也可直接导入到PowerMill中进行产品的刀路规划和仿真加工。
图2 手电钻3D比较结果图
图3 手电钻2D比较结果图
逆向建模完成后，为获得建模质量情况，运用Geomagic Control软件分别进行模型的3D比较（将建模与逆向结果比较）、2D比较（手电钻指定位置比较）及创建2D尺寸（指定位置并标注主要尺寸）[4]。手电钻3D比较结果如图2所示，将建模与逆向结果进行比较，通过比较看出高于公差范围的比例约为5.4%。截取手电钻的截面进行2D比较结果如图3所示，由图可知截面平均偏差0.0837mm，高于公差范围的比例约为4.33%。由分析可知，所建逆向模型中各面的建模质量好，曲面拆分较为合理，公差符合要求，合理还原了数字模型。
2.3 CNC编程与仿真加工
2.3.1 加工工艺路线规划
经过对手电钻结构的分析和对毛坯形状尺寸的测量，手电钻属于对称结构，加工时可分正反两面进行加工，通过分析制定了手电钻正面加工工艺表，见表1。首先使用Φ10mm和Φ8mm的端铣刀对毛坯正面进行两次粗加工，然后用Φ8mm的球头刀精加工手电钻头部和尾部，最后用Φ4mm的球头刀进行清角精加工；正面加工完成后，将毛坯反转，按照上述正面加工的方法，加工手电钻反面。
表1 手电钻正面加工工艺表
2.3.2 产品仿真加工
规划好工艺路线后，按照规划的工艺路线将手电钻的三维模型导入PowerMill软件中进行刀路的规划和仿真加工[5]，查看刀路是否合理，并生成加工程序便于数控加工。PowerMill软件具有丰富的加工路径策略，可进行加工残余分析，具有全程自动的防过切、智能化的干涉检查，可进行刀轨优化等，并提供了刀杆、刀柄自动碰撞干涉检查功能，不仅保证了刀具在加工过程中不会过切工件，而且保证了刀杆、刀具夹持不会发生碰撞，提高了加工的安全性[6]。仿真加工后的手电钻模型如图4所示。
图4 仿真加工后的手电钻模型
2.4 数控加工产品并检验产品质量
将PowerMill生成的加工程序用U盘导入数控机床进行数控加工，加工过程中注意将毛坯装夹、找正，对刀操作需要每把刀具都进行对刀，反面加工装夹毛坯时注意不要将毛坯方向混淆。手电钻加工完成后，用游标卡尺、量块等相关的测量仪器和设备测量手电钻的曲面尺寸精度、曲面加工粗糙度、尺寸公差等，经检验所加工完成的工件符合质量要求。
3 结语
通过对手电钻模型的逆向设计加工过程可知，借助Geomagic Design X逆向建模的模型质量高，通过PowerMill生成的加工程序合理，提高了加工的安全性；运用逆向工程进行工业产品数字化设计和制造的过程可以缩短产品的设计和研发周期，加快产品的造型和系列化设计过程。
