南宁小独院厂房:求反工程在机械设计中的应用——设计软件的应用

来源:百度文库 编辑:我要文章网 时间:2019/08/26 06:05:52
求反工程在机械设计中的应用——设计软件的应用  (作者置顶)逆向工程的概念
逆向工程(Reverse Engineering,RE)是对产品设计过程的一种描述。在工程技术人员的一般概念中,产品设计过程是一个从无到有的过程:设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等,然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型,最终将这个模型转入制造流程,完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们可以称之为“正向设计”。逆向工程则是一个“从有到无”的过程。简单地说,逆向工程就是根据已经存在的产品模型,反向推出产品的设计数据(包括设计图纸或数字模型)的过程。
随着计算机技术在制造领域的广泛应用,特别是数字化测量技术的迅猛发展,基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字化测量设备(如坐标测量机、激光测量设备等)获取的物体表面的空间数据,需要经过逆向工程技术的处理才能获得产品的数字模型,进而输送到CAM系统完成产品的制造。因此,逆向工程技术可以认为是“将产品样件转化为CAD模型的相关数字化技术和几何模型重建技术”的总称。
1)几何测量:通过合适的测量方法来获得产品的三维形状;
(2)数据处理:处理所获得的三维数据,使其符合后续操作的要求;
图1 逆向工程流程图
(3)CAD建模:建立一个完整的CAD模型,从而能够借以描述产品的全部相关信息。
本文以日本生产的电脑手套机凸轮的逆向工程设计、制造为例,讨论和分析了该技术的主要步骤。
2 三维数据的采集
在逆向工程中,准确、快速、全面地获取实物的三维几何数据,即对物体的三维几何形面进行三维离散数字化处理,是实现逆向工程的基础。数据的采集是指采用某种测量方法和设备测出实物各表面的若干组点的几何坐标,可以有多种方式进行数据采集。在表面数字化技术中,根据测量方式的不同可以将数据采集方法分为接触式和非接触式两大类。传统方法就是以三坐标测量机(CMM)为代表的接触式,也是实际工程中常用的方式,精度相对精确,但易于损伤测头和划伤被测零件的表面。本次测量采用了青岛前哨的三坐标测量机进行数据采集。
3 数据处理
数据处理是逆向工程的关键一步,结果将直接影响后期模型重构的质量,此过程包括以下几方面的工作:(1)数据预处理;(2)数据分块;(3)数据光顺;(4)数据优化。本设计中,采用最简洁的方法,即通过人机交互,图形显示,判别明显坏点,在数据序列中将这些点删除。
在Pro/E程序中,选用主菜单命令[File]/[New]中新建一个实体零件,然后选择主菜单命令[Application]/[Scan-tools],指定数据密度模式(低密度模式),建立坐标系,读入数据后即可生成曲线。若原始测量数据存在较大的误差,必须用去除噪声点(Remove Scan Point)的方法去除那些偏差较大的点。也可通过新建扫描曲线(Create Scan Curve)、连接扫描曲线(Join Scan Curve)、分开扫描曲线(Separate Scan Curve)等方法,对曲线进行直接处理,即可获得大致令人满意的曲线,如图2所示。
生成扫描曲线后,即可创建光滑曲线,用给定点数法(Number of Points)等方法对曲线进行调整和光顺处理。
4 CAD建模
Pro/E有很多功能强大的模块,比如零件建模模块,工程图模块,数控加工模块等等,这里我们使用零件建模模块进行反求建模。
在零件(Part)模块下创建出3DCADModel。完成3DCADModel创建后,可进一步利用View/Ad vanced→Photorender制作高品质的渲染图
5 数控加工
将创建好的3DCADModel汇入Pro/E的Manufac turing模块,建立新的Pro/NC文件(创建新的Pro/NC制造模型),在New菜单下选择NC组件选项按钮。在菜单管理器中选择制造模型选项、选择装配中的参考模型项、打开建模的模型。选择制造设置,设置各种参数设置,其中包括机床、刀具、夹具、参照、退刀等的设置。接下来就可以进行加工设置了,选择加工中的NC序列,在其中的加工中选择轮廓选项、接着进行序列设置,包括刀具的选择、曲线的选择、参数的设置等,通过轮廓加工方法对凸轮的外轮廓线进行加工。加工过程的动画演示如图4所示。判断加工的合理性,并作适当的修正。对于其它各部分(圆孔)的加工可以按照上面的方法进行操作
等确定各加工过程准确无误后就可以进行程序的输出了。在菜单管理器中选择CL数据选项、选择输出→轨迹→文件、选中CL文件和MCD文件选项,则NC加工程序的输出生成完成。
至此,经过上述反求建模,NC加工程序生成后,再将Pro/E生成的数控加工代码经过一定的手工设定后,送至电火化线切割机或加工中心加工,即可完成凸轮的反求设计与制造。
逆向工程是全新的制造技术信息化、科学化的系统工程,开辟了设计制造零件的新途径。现代几何信息数字化获取技术和以Pro/E为代表的三维造型技术,为逆向工程提供了强有力的模型设计工具。逆向工程作为一项新技术在产品设计开发和制造方面,能大大地缩短设计制造周期,这一技术正以其独特的优势,在产品的开发中发挥着越来越大的作用。
三维扫描仪技术和逆向工程技术又称“三维复制技术”,它可以深入到任何复杂的现场环境及空间中进行扫描操作,并直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整的扫描到电脑中,进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据,同时,它所扫描的三维激光/结构光点云数据还可进行各种后处理工作(如:测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实、… 等),它是各种正向工程工具的对称应用工具,即:逆向工程工具。
快速自动成型(Rapid Prototyping)技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称,它集成了CAD技术、数控技术。激光技术和材料技术等现代科技成果:是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同,快速成型从零件的CAD几何模型出发,通过软件分层离散和数控成型系统,用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加,因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件,极大地提高了生产效率和制造柔性。
快速自动成型技术问世不到十年,已实现了相当大的市场,发展非常迅速。人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。制造行业的工作人员都想方设法利用这种现代化手段,与传统制造技术的接轨工作也进展顺利。人们用其长避共短,效益非凡。与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起,快速自动成型已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段,在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。
快速成型的过程是首先生成一个产品的三维CAD实体模型或曲面模型文件,将其转换成STL文件格式,再用一软件从STL文件 "切"(Slice)出设定厚度的一系列的片层,或者直接从CAD文件切出一系列的片层,这些片层按次序累积起来仍是所设计零件的形状。然后,将上述每一片层的资料传到快速自动成型机中去,类似于计算机向打印机传递打印信息,用材料添加法依次将每一层做出来并同时连结各层,直到完成整个零件。因此,快速自动成型可定义为一种将计算机中储存的任意三维型体信息通过材料逐层添加法直接制造出来,而不需要特殊的模具、工具或人工干涉的新型制造技术。
快速成型技术与传统方法相比具有独特的优越性和特点:
(1)产品制造过程几乎与零件的复杂性无关,可实现自由制造(Free FormFabrication),这是传统方法无法比拟的。
(2)产品的单价几乎与批量无关,特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产。
(3)由于采用非接触加工的方式,没有工具更换和磨损之类的问题,可做到无人值守,无需机加工方面的专门知识就可操作。
(4)无切割、噪音和振动等,有利于环保。
(5)整个生产过程数字化,与CAD模型具有直接的关联,零件可大可小,所见即所得,可随时修改,随时制造。
(6)与传统方法结合,可实现快速铸造,快速模具制造,小批量零件生产等功能,为传统制造方法注入新的活力。
光固化立体造型(SL—Stereolithography)
该技术以光敏树脂为原料,将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描,使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应,从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕,移动工作台,在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上,如此重复直到整个零件原型制造完毕。
SL法是第一个投入商业应用的RP技术。目前全球销售的SL设备约占RP设备总数的70%左右。 这种方法的特点是精度高、表面质量好。原材料利用率将近100%,能制造形状特别复杂(如空心零件)、特别精细(如手饰、工艺品等)的零件。
分层物件制造(LOM—Laminated Object Manufacturing)
LOM工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起,位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据,用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓,然后新的一层纸再叠加在上面,通过热压装置和下面已切割层粘合在一起,激光束再次切割,这样反复逐层切割一粘合一切割……直至整个零件模型制作完成。
选择性激光烧结(SLS—Se1ected Laser Sintering)
该法采用CO2激光器作能源,目前使用的造型材料多为各种粉未材料。在工作台上均匀铺上一层很薄(100μ~200μ)的粉未,激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结,一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉未,再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前,成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉,用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺还正在实验研究阶段。
熔融沉积造型(FDM—Fused Deposition Modeling)
FDM工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上(通常控制在比熔点高1℃左右)。FDM喷头受CAD分层数据控制使半流动状态的熔丝材料(丝材直径一般在1.5mm以上)从喷头中挤压出来,凝固形成轮廓形状的薄层。每层厚度范围在0.025~0.762mm,一层叠一层最后形成整个零件模型。
我们所使用的测量设备是手动三坐标划线机,可以测量剖面、轮廓、分型线。所以测量点的数据量不会象激光扫描仪测量的那么大。比如一个汽车保险杠的测量点个数大约在10000—20000之间,一辆踏板摩托车的全部塑料覆盖件的测量点大约在50000个左右。所以用一些非专业的逆向设计软件(如UG、pro/E、CATIA等)是很适合的。对于大量的扫描数据,用专业的逆向软件(如Surfacer、CopyCAD)则更合适。
UG的逆向设计遵循点——线——面——体的一般原则。
一、测点
测点之前先规划好该怎么打点。测点的一般原则是在曲率变化比较大的地方打点要密一些,平滑的地方则可以稀一些。值得注意的是除了测剖面、分型线外,测轮廓线等特征线也是必要的,它会在构面的时候带来方便。
二、连线
连线之前先整理好点。包括去误点,同方向的剖面点放在同一层里,分型线点、孔位点单独放一层,轮廓点也单独放一层,便于管理。
接下来可以连线,先连分型线点,后连剖面点。连分型线点尽量做到误差最小并且光顺。因为一般情况下分型线是产品的装配结合线。对汽车、摩托车来说,连线的误差一般控制在0.5mm以下。连线要做到有的放矢,根据样品的形状、特征大致确定构面方法,从而确定需要连哪些线条,不必连哪些线条。连线可用直线、圆弧、样条线(spline)。最常用的是样条线,选用“through point”方式。选点间隔尽量均匀,有圆角的地方先忽略,做成尖角,做完曲面后再倒圆角。因测量有误差及样品表面不光滑等原因,连成的spline需要调整,使其光顺。调整中最常用的一种方法是Edit Spline,选Edit pole选项,利用鼠标拖动控制点,这里有许多选项,如限制控制点在某个平面内移动、往某个方向移动、是粗调还是细调、以及打开显示spline的“梳子”开关等,具体的调整在下一次的例子中详细说明。另外,调整spline经常还要用到移动spline的一个端点到另一个点,使构建曲面的曲线有交点,这点要比pro/E好。
三、构面
运用各种构面方法建立曲面,包括Though Curve Mesh,Though Curves,Swept,Rule,From point cloud 等,要根据样品的具体特征而采用相应的构面方法。我最常用的是Though Curve Mesh,而有的人用的最多的是Though cuvres。Though curve mesh构面可以保证曲面边界曲率的连续性,因为Though curve mesh可以控制四周边界曲率(相切),而Though curves 只能保证两边曲率。假如两曲面交线要倒圆角,因Though curve mesh 的边界就是两曲面的交线,显然这条线要比两个Though Curves曲面的交线光顺,这样Blend出来的圆角质量是不一样的。
我初学点造型的时候,两个面之间往往有“折痕”,很难看,这主要是这两个面不相切所致。解决这问题可以通过调整参与构面(Though curve mesh)曲线的端点与中一个面中的对应曲线相切,再加上Though curve mesh 边界相切选项即可解决,只有曲线相切,才能保证曲面相切!
另外,有时候做一个单张且比较平坦的曲面(如汽车、摩托车的前大灯灯面)时,直接用点云构面(from point cloud)更方便更准确。有时面之间的空隙要桥接(Bridge),以保证曲面光滑过渡。
构建曲面时还要注意,当一张曲面不光顺时,可求此曲面的一些Section,再调整这些Section使其光顺,再利用这些Section重新构面,效果会好些,这一招也经常要用到。
在构建曲面的过程中,有时也还要再加连一些线条,用于构面,连线和构面要经常交替进行。
曲面建成后,要检查曲面的误差,一般测量点到面的误差,像摩托车、汽车塑料件等,不要超过1mm。
构面最主要的是抓住样件的特征,该有圆角的地方就要圆角,该尖角的地方就要轮廓清晰。
构面还要注意简洁。面要尽量做得大,张数少,不要太碎,有利于后面增加一些圆角、斜度、增厚等特征,而且也有利于下一步编程加工,刀路的计算量会减少,NC文件也小。
四、构体
当外表面完成后,下一步就要以构建实体模型。当模型比较简单且所做的外表面质量比较好时,用缝合增厚指令就可建立实体。但大多数情况却不能增厚,所以只能采用Offset偏置外表面。用Offset指令可同时选多个面或用窗口全选,会提高效率。对于那些无法偏置的曲面,要学会分析原因。一种可能是由于曲面本身曲率太大,偏置后会自相交,导致Offset失败(有些软件的算法与此算法不同,如犀牛王就可Offset那些会产生自相交的曲面),如小圆角。另一种可能是被偏置曲面的品质不好,局部有波纹,这种情况只能修改好曲面后再Offset。还有一些曲面看起来很好,但就是不能Offset,遇到这种情况可用Extract Geometry成B 曲面后,再Offset,十有八九会成功。偏置后的曲面有的需要裁剪,有的需要补面,用各种曲面编辑手段完成内表面的构建,然后缝合内外表面成一solid,最后再进行产品结构设计,如加强筋、安装孔等。
总之,这种点——线——面的传统逆向设计比较耗时,如完整地设计一个比较复杂的汽车前保险杠,需要10—20天时间。凭我个人的经验,根据产品的特征如何规划、分割产品,以及用哪些曲线去构造曲面,是搞好逆向设计的关键。
软件对于我们来说很重要,不仅对社会,还对国家起着很大的作用,所以我们要学好这些软件来为国家做出我们的一份力量。