基于逆向工程對電動剃須刀的設計與數(shù)控加工

曹昭平

摘 要：本文以電動剃須刀為研究對象，使用數(shù)字化掃描儀獲取模型點云數(shù)據(jù)，并利用Geomagic Wrap 2015、Geomagic Design X、中望3D軟件完成剃須刀的設計與數(shù)控加工。

關鍵詞：逆向工程；數(shù)控加工；電動剃須刀

逆向工程也稱為反求工程，它產生于20世紀80年代末至90年代初。傳統(tǒng)的產品開發(fā)過程遵循正向工程的思維，即從概念設計到圖樣，再制造出產品。是從未知到已知、從抽象到具體的過程。而逆向工程則是按照產品引進、消化與創(chuàng)新的思路，即根據(jù)已有的產品模型，反向推出產品的設計數(shù)據(jù)，包括設計圖紙和數(shù)字模型。逆向工程是一個“從有到無”的過程。

本文以常見的電動剃須刀為研究對象，將逆向與數(shù)控相結合，得到重建后模型的數(shù)控加工程序，并使用數(shù)控銑的方法進行加工。

1、數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集也稱為三維數(shù)據(jù)測量，它是指通過特定的測量設備和測量方法獲取產品表面離散點的幾何坐標數(shù)據(jù)，將產品的幾何形狀數(shù)字化。根據(jù)測量時探頭是否與被測量零件表面接觸，目前的測量方法通常分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類。本研究中剃須刀點云數(shù)據(jù)的獲取是利用PTC系列三維掃描系統(tǒng)，使用非接觸式測量方法獲取。

（1）根據(jù)零件的大小確定掃描設備標定板的大小，本文選用中板進行標定，標定結果誤差小于0.06mm，符合設備使用要求。

（2）由于電動剃須刀實物屬于彩色工件，在掃描過程中不利于數(shù)據(jù)的采集，因此在掃描之前在剃須刀外表面噴DPT-5顯像劑。

（3）分析剃須刀的特征后，選擇“拼接掃描”方式得到完整點云。因此，標志點的合理粘貼非常重要，本研究選擇在剃須刀背面平整的位置錯落貼四個標志點，便于掉頭掃描時的拼接。

（4）準備工作就緒后進行電動剃須到掃描工作，將準備好的剃須刀正立放置在3D掃描儀旋轉平臺上旋轉5—6次（360°）完成正立時的掃描。完成后，將剃須刀倒立放置，并將標志點正對鏡頭，作為倒立后的首次掃描面，從而利用公共點完成正立與倒立特征的拼接，在倒立360°掃描結束后，查看掃描數(shù)據(jù)是否完整。

（5）將數(shù)據(jù)保存為asc格式，導入到Geomagic Wrap 2015逆向工程軟件中進行點云數(shù)據(jù)處理。

2、點云數(shù)據(jù)預處理

由于設備、環(huán)境、零件表面質量等因素的影響，掃描獲得的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)較多的雜點、跳點、無序點，影響數(shù)據(jù)的精確性，因此對得到的點云數(shù)據(jù)進行下述預處理很有必要：

（1）啟動Geomagic Wrap 2015軟件，導入點云，對點云進行著色。

（2）將點云中明顯距離主體點云遠的手動刪除，再選擇工具欄中“選擇—非連接項”命令，尺寸按默認值設為5.0，單擊“確定”按鈕。點云中的非連接項被選中，并呈紅色顯示。這時單擊工具欄中的“刪除”按鈕，將標紅的非連接點云刪除。

（3）單擊工具欄中“選擇—體外孤點”命令，敏感度設為85，單擊“確定”按鈕。此時體外孤點被選中，呈現(xiàn)紅色，單擊“刪除”按鈕，將標紅的體外孤點刪除。

（4）單擊工具欄中“減少噪音”命令，設置相關參數(shù)減少在掃描過程中產生的一些噪聲點數(shù)據(jù)。減噪處理可以是數(shù)據(jù)平滑，降低模型的這些偏差點的偏差值，在后來封裝的時候能夠使點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一排布，更好地表現(xiàn)真實的物體形狀。

（5）單擊工具欄中“統(tǒng)一采樣”命令，單擊“絕對”選項，定義“間距”為0.3mm，單擊“確定”。該命令是在保持模型精確度的基礎上減少點云數(shù)據(jù)量的大小，減少點云數(shù)據(jù)可以使數(shù)據(jù)的運算速度更快，提高運算效率。

（6）封裝數(shù)據(jù)，將點云數(shù)據(jù)轉換為多邊形模型，并對得到的多邊形模型進行簡化、填充孔、去除特征、砂紙打磨、網(wǎng)格醫(yī)生等基本的多邊形處理。處理完畢后使用“特征—平面”命令，創(chuàng)建三個相互垂直的平面；再利用“對齊—對齊到全局”命令，將創(chuàng)建的三個平面定義為空間坐標系中的X、Y、Z面；最后將處理好的多邊形保存為stl格式。

3、電動剃須刀逆向建模

啟動Geomagic Design X軟件，將保存的stl文件導入到該軟件中，采用自動分割命令劃分領域組，敏感度設置為30。再使用插入、合并命令，完善領域組。剃須刀主體用3D面片草圖截取多邊形模型，設置合適的控制點，控制截面精度，并將草圖拉伸到合適位置；同理，剃須刀的電動頭用3D面片草圖截取后拉伸再切除完成；而對于剃須刀的刀頭和握手處的曲面則需要通過引導線，用放樣命令完成這幾個部分的曲面創(chuàng)建；最后對剃須刀局部進行倒圓角，整體進行誤差分析。由誤差分析色譜圖可以發(fā)現(xiàn)，電動剃須刀的逆向結果與掃描數(shù)據(jù)偏差±0.02mm。將完成的剃須刀實體模型保存為stp格式文件。

4、電動剃須刀的數(shù)控加工編程

（1）工藝分析

將在DX軟件中處理好的剃須刀模型導入到中望3D軟件中，創(chuàng)建35×50×80毛坯。該零件材質為尼龍，有復雜曲面，且需要掉頭加工。按照加工工藝路線的安排，先對有刀頭一方進行粗加工、半精加工和精加工；再掉頭裝夾對底部進行粗加工、半精加工和精加工，并保證剃須刀整體高度。

（2）確定工件坐標系及加工刀具

根據(jù)毛坯的特征，為了方便編程基準和對刀基準重合，設置坐標系為毛坯中心上表面，其裝夾方式以底面和兩側面為裝夾定位基準，利用平口鉗夾緊工件并保證工件露出45mm的高度。

根據(jù)機床的剛性、毛坯材料，模型結構和切削用量等創(chuàng)建刀具。在“創(chuàng)建刀具”命令中，分別創(chuàng)建D6立銑刀和R2球頭銑刀。

（3）編制加工工序

根據(jù)零件的加工要求，編制如下加工工序：

銑標準面 → 開粗 → 精加工 → 等高線切削 → 輪廓切削 → 螺旋切削 → 三維偏移切削 → 輪廓切削 → 掉頭裝夾 → 新建坐標系 → 重復輪廓開粗+精加工 → 重復端面加工。

（4）后處理

根據(jù)實際使用的機床在后置處理中選擇“華中數(shù)控機床”，生成G代碼，修改相關參數(shù)，點擊確定鍵，生成TXT格式G代碼加工程序。將程序利用計算機或U盤傳送數(shù)控機床，使用華中數(shù)控四軸銑床完成電動剃須刀的加工任務。

5、結論

對已有產品進行新的開發(fā)設計，是制造業(yè)中的不可或缺的環(huán)節(jié)。以逆向工程技術為基礎，對復雜曲面零件進行再創(chuàng)造并用數(shù)控加工技術進行加工研究，對于推動社會經(jīng)濟發(fā)展具有顯著的現(xiàn)實意義。

參考文獻

[1] 李粉霞、楊潔明.基于逆向工程的復雜曲面數(shù)控加工[J].機械工程與自動化，2008（3）：65—66.

[2] 黃斌達，王琦，陳發(fā)威.復雜曲面零件的逆向建模及數(shù)控加工仿真的研究[J].組合機床與自動化加工技術，2010，12（12）：97—100.