鞋楦曲面的逆向設(shè)計(jì)與數(shù)控加工*

高東強(qiáng)，司見(jiàn)龍，李愿望，錢(qián) 喆，蘭云利

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

1 引言

逆向工程也稱(chēng)反求工程，是根據(jù)已有產(chǎn)品生成圖樣，再制造出新產(chǎn)品的技術(shù)。目前多數(shù)逆向工程研究主要集中在實(shí)物的逆向重構(gòu)上，即由一定的測(cè)量手段采集到模型數(shù)據(jù)，然后通過(guò)三維幾何建模重構(gòu)出實(shí)物CAD模型，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的過(guò)程［1］。鞋楦是制鞋的關(guān)鍵工序之一。一般的鞋模曲面都是由非初等曲線構(gòu)成的自由型曲面，這就使其設(shè)計(jì)與加工過(guò)程變得復(fù)雜。將逆向設(shè)計(jì)的方法應(yīng)用于鞋楦母模的設(shè)計(jì)與制造，將改變鞋模傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，大大縮短其制造周期。

2 鞋楦曲面數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是逆向工程中的重要階段，也是直接影響模型曲面精度的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)數(shù)據(jù)采集方式可將測(cè)量過(guò)程分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式測(cè)量對(duì)被測(cè)物體的表面條件和光線要求不高，但其測(cè)量速度較慢且對(duì)質(zhì)軟樣件的測(cè)量誤差較大。非接觸式對(duì)樣件的材料沒(méi)有要求且測(cè)量速度快，但精度相對(duì)較低，對(duì)物體表面和光線敏感［2］。考慮到現(xiàn)有的鞋模樣件情況，利用Laser－RE600型非接觸式三維激光掃描儀，采用雙CCD三角測(cè)量技術(shù)，結(jié)合單方向360°間接式旋轉(zhuǎn)法獲取鞋楦曲面的多片點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過(guò)多視圖自動(dòng)拼合和重疊刪除等操作，最終獲得鞋模曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示，共計(jì)點(diǎn)數(shù)185289個(gè)。

圖1 鞋楦點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)處理

將掃描的鞋模數(shù)據(jù)保存為.asc格式，再導(dǎo)入到逆向軟件Geomagic Studio［3］中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.1 數(shù)據(jù)拼合

由于采集的鞋模點(diǎn)云是分兩次測(cè)量得到的獨(dú)立數(shù)據(jù)，就必須先對(duì)2片點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼合。為使兩片點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的完整，采用手動(dòng)注冊(cè)的方法對(duì)其進(jìn)行拼接。選輪廓比較完整的上下面點(diǎn)云為拼接的固定位置，側(cè)面點(diǎn)云作為浮動(dòng)數(shù)據(jù)，并提取2片點(diǎn)云上特征比較明顯的3個(gè)基點(diǎn)作為數(shù)據(jù)拼合的參考基準(zhǔn)，最終拼接的鞋模點(diǎn)云如圖2所示。

圖2 鞋模數(shù)據(jù)拼合

3.2 數(shù)據(jù)采樣與去除雜點(diǎn)

數(shù)據(jù)采樣是在不影響模型基本特征的情況下，通過(guò)改變數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離對(duì)采集的大量點(diǎn)云進(jìn)行適量精簡(jiǎn)。鞋模點(diǎn)云精簡(jiǎn)后的點(diǎn)數(shù)從185289減少至55101個(gè)，如圖3所示;雜點(diǎn)主要包括由光照、背景等引起的體外孤點(diǎn)，測(cè)量設(shè)備輕微振動(dòng)引起的噪音點(diǎn)等。對(duì)于噪音點(diǎn)的去除采用評(píng)估相鄰點(diǎn)間距取平均值的算法，刪除那些大于噪音誤差極限的點(diǎn)云，這個(gè)過(guò)程可通過(guò)系統(tǒng)計(jì)算出的噪音色譜圖進(jìn)行可視化判別，圖4為系統(tǒng)計(jì)算的噪音色譜。

圖3 數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)

圖4 噪音色譜圖

4 曲面重構(gòu)［4］

將處理完成的鞋模點(diǎn)云數(shù)據(jù)保存為.igs格式導(dǎo)入Pro/E軟件中進(jìn)行鞋模曲面的重構(gòu)。在Pro/E系統(tǒng)中可通過(guò)由點(diǎn)云構(gòu)造曲面來(lái)自動(dòng)完成曲面重構(gòu)，但由于鞋模數(shù)據(jù)中存在大量不規(guī)則的缺陷數(shù)據(jù)，故采用手動(dòng)繪制出輪廓曲線再構(gòu)造曲面的方法。

4.1 創(chuàng)建輪廓曲線

首先選取鞋模的最大刨面建立基準(zhǔn)面，并繪制出第一條輪廓曲線，如圖5所示，同理在其左右兩側(cè)建立2個(gè)基準(zhǔn)面，并根據(jù)輸入特征的輪廓分別在這2個(gè)基準(zhǔn)面上繪制鞋模的輪廓曲線。

圖5 最大截面輪廓曲線

為建立鞋模四周的輪廓曲面，必須先繪制出其對(duì)應(yīng)特征的輪廓曲線。為此可先拉伸出折形曲面，并分別在這些平面上創(chuàng)建與剛才創(chuàng)建的3條曲線的交點(diǎn)，如圖6所示;然后選取剛才創(chuàng)建的最大輪廓基準(zhǔn)面為草繪平面，以創(chuàng)建的交點(diǎn)作為參照對(duì)象，創(chuàng)建鞋模四周的一段輪廓曲線，如圖7所示，同理完成鞋模四周曲面的所有曲線。

圖6 創(chuàng)建基準(zhǔn)點(diǎn)

圖7 四周面輪廓曲線

4.2 鞋模曲面重構(gòu)

應(yīng)用“邊界混合”命令，選取鞋模最大刨面處創(chuàng)建的廓曲線作為第一方向線，參照曲面上創(chuàng)建的四周面輪廓曲線作為第二方向線，依次創(chuàng)建曲面;應(yīng)用同樣的方法，創(chuàng)建所有混合曲面，最后將所有混合曲面進(jìn)行合并和光順過(guò)度，最終效果如圖8所示。

從創(chuàng)建的鞋模曲面模型看，其效果并不理想，表面存在很多不平整和非光滑過(guò)度等問(wèn)題。因此可將重構(gòu)好的模型再導(dǎo)入Geomagic軟件做進(jìn)一步的修復(fù)相交區(qū)域、細(xì)化和曲面光順等處理，最終得到的鞋模曲面如圖9所示。

圖8 鞋模輪廓曲面

圖9 最終的鞋楦模型

5 NC仿真加工

通用加工軟件Mastercam X4可進(jìn)行產(chǎn)品的模擬加工和自動(dòng)編程［5］，驗(yàn)證數(shù)控加工程序的可靠性以及預(yù)測(cè)切削過(guò)程，這又對(duì)實(shí)際加工具有重要意義。

將重構(gòu)完成的鞋模三維模型以曲面的形式保存為.igs格式，導(dǎo)入Mastercam X4軟件中進(jìn)行模擬加工。由于鞋模曲面比較復(fù)雜，若采用3軸銑削，則需要通過(guò)多次翻面才能完成加工。為減少裝夾次數(shù)，節(jié)省加工時(shí)間，故采用5軸銑削加工，銑削方式選擇螺旋走刀，直徑為10 mm的球頭銑刀，進(jìn)給率為150 mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為2000 r/min，加工預(yù)留量為0.3，粗加工鞋模表面，其生成的刀路如圖10所示。選擇同樣的銑削方式，改變銑刀直徑為5 mm的，最大步進(jìn)量為0.02，對(duì)鞋模進(jìn)行半精加工，結(jié)果如圖11所示。

圖10 刀具路徑

圖11 鞋模仿真加工過(guò)程

完成數(shù)控仿真加工后，經(jīng)過(guò)Mastercam系統(tǒng)的后處理模塊對(duì)編程結(jié)果進(jìn)行后處理，就可以輸出NC程序用于實(shí)際加工，以下為部分NC數(shù)據(jù)。

6 小結(jié)

筆者成功將逆向工程技術(shù)應(yīng)用到鞋模曲面的設(shè)計(jì)與制造中，完成了鞋楦母模曲面數(shù)據(jù)的三維激光掃描和鞋模點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，鞋模曲面的重構(gòu)及NC仿真加工，并得到了數(shù)控程序，提出了一套完整的鞋模逆向設(shè)計(jì)方法，這為以后鞋楦的設(shè)計(jì)與制造提供了新的思路。

［1］刑 健，付大鵬，郝德成.基于逆向工程的汽輪機(jī)葉片型面CAD［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(5):223 －224.

［2］羅 強(qiáng).三維CAD系統(tǒng)葉片造型方法研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2004，21(12):57－58.

［3］成思源，謝韶旺.Geomagic Studio逆向工程技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

［4］張國(guó)亮.Pro/ENGINEER中文野火版逆向工程專(zhuān)家實(shí)例精講［M］.北京:中國(guó)青年出版社，2007.

［5］文懷興，巍乾新.基于Imageware和Proe的弧面凸輪逆向設(shè)計(jì)及NC 仿真加工［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2012，36(11):113－115.