復(fù)雜曲面產(chǎn)品的逆向建模和數(shù)控虛擬加工仿真

王 芳

（貴州應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，貴州 黔南州 550500）

機(jī)械制造業(yè)在推動國民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的過程中起到了至關(guān)重要的作用。在現(xiàn)代制造過程中，復(fù)雜曲面產(chǎn)品日漸增多，使得加工工序變得復(fù)雜，加工周期延長，傳統(tǒng)的設(shè)計制造方法難以適應(yīng)先進(jìn)制造技術(shù)日新月異的發(fā)展，而逆向工程就專門為制造業(yè)提供了一個全新、高效的重構(gòu)手段。逆向工程是以現(xiàn)有產(chǎn)品作為樣件，使用三維掃描儀獲取產(chǎn)品表面點云數(shù)據(jù)，再經(jīng)過逆向建模將其重構(gòu)成實體模型，進(jìn)而加工出產(chǎn)品的一種先進(jìn)制造技術(shù)[1]。逆向工程與數(shù)控仿真加工結(jié)合，可以直觀觀察到復(fù)雜曲面產(chǎn)品加工過程，及時發(fā)現(xiàn)加工過程中存在的問題并進(jìn)行及時修改，最大程度減少廢品率，降低成本，提高加工效率，縮短復(fù)雜曲面加工周期，快速反應(yīng)市場變化[2]，對現(xiàn)代制造業(yè)具有重要現(xiàn)實意義，同時還可以修復(fù)破損的雕像、雕刻等文化產(chǎn)品，實現(xiàn)對傳統(tǒng)文化遺產(chǎn)的開發(fā)和保護(hù)。

1 使用三維掃描儀獲取人像點云數(shù)據(jù)

拿著手持式掃描儀對著人像緩慢移動一周，獲得人像表面的三維點云數(shù)據(jù)[3]，掃描儀掃描的三維人像如圖1 所示。由于掃描儀精度不高，掃描出的人像不夠精細(xì)，一些人體局部未掃描到，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失而使人像腋下等其他一些地方形成破洞，這些破洞后續(xù)可以在Geomagic中用填充命令進(jìn)行解決處理。

圖1 掃描儀掃描的三維人像

2 基于Geomagic逆向建模

2.1 點階段

將人像點云數(shù)據(jù)stl 文件導(dǎo)入Geomagic 逆向建模軟件[4]，點擊“點階段”命令之后，從封裝階段回到點階段，進(jìn)而編輯點云數(shù)據(jù)。所采集的人像點云數(shù)據(jù)由于掃描儀精度不高、一些局部掃描不到、掃描操作不當(dāng)?shù)仍?，不可避免地產(chǎn)生大量雜點、噪音點，需要通過減少噪音、刪除雜點對人像進(jìn)行簡單處理。

2.2 封裝階段

通過簡單進(jìn)行清除、刪除釘狀物，再簡化、細(xì)膩簡單處理后填充孔，接著構(gòu)建四邊形邊界，為避免大量的網(wǎng)格線匯聚于小面夾角處而發(fā)生網(wǎng)格線相交錯誤，需要先將體模型進(jìn)行劃分，即分模，分?？梢宰尯笃诟玫貥?gòu)建四邊形邊界。在工具欄里點擊定制區(qū)域模式，通過構(gòu)建的分界線畫線將人像的人頭、身體、兩只手臂分離出來，如圖2 所示，到最后曲面階段再進(jìn)行拼接即可。

圖2 分模的四個部分及各部分NURBS曲面控制網(wǎng)格的邊界規(guī)劃

2.3 構(gòu)建四邊形邊界

構(gòu)建四邊形邊界就是利用劃分四邊形邊界形成控制網(wǎng)格邊界。根據(jù)人體各部分特點規(guī)劃四邊形邊界，用創(chuàng)建/修改曲線和曲線截面都可以生成邊界，創(chuàng)建/修改曲線可以任意在模型上劃分邊界，可以比較自由地劃分邊界。規(guī)劃網(wǎng)格大小要勻稱，最好是方形或矩形的網(wǎng)格，不能出現(xiàn)尖角、三角形或細(xì)小的網(wǎng)格，這對后面能否成功用移動面板劃分規(guī)整的四邊形網(wǎng)格線、合并曲面有著重要影響，結(jié)合兩種創(chuàng)建邊界的方法構(gòu)建人體四個部分的四邊形邊界，如圖2所示。

2.4 曲面階段

在建好四邊形邊界后，執(zhí)行“修復(fù)相交區(qū)域”，如果出現(xiàn)有相交的三角形，選擇松弛清除，點擊應(yīng)用就會自動修復(fù)相交的三角形。在曲面階段，分別點擊探測曲率、升級約束、構(gòu)造曲面片，再用移動面板工具對自動生成的凌亂網(wǎng)格線進(jìn)行調(diào)整，接著松弛一下曲面片后進(jìn)行構(gòu)造格柵，通過松弛格柵和編輯格柵解決相交格柵問題，直到格柵不再相交，下一步點擊曲面擬合圖標(biāo)，選擇常數(shù)，在高級選項下拉箭頭下選擇優(yōu)化光順性。最后，合并曲面，可以選擇一個面合并，也可選擇多個面一起合并，人體人頭部分曲面階段過程如圖3所示，其他部分也是同樣的操作。

圖3 曲面階段過程

最后，在Geomagic 中分別導(dǎo)入人頭、身體、兩只手臂，會自動形成一個整體，如圖4 所示，將整體文件另存為IGES 文件。對于曲面來講，IGES 文件能更好地在不同的CAD 系統(tǒng)之間傳遞[5]，為接下來在UG中進(jìn)行數(shù)控加工編程做準(zhǔn)備。

圖4 導(dǎo)入各部分后形成的曲面整體

3 UG中實體生成和數(shù)控編程

3.1 在UG中把人像縫合成實體

要在U G 中進(jìn)行數(shù)控加工編程，要加工的模型必須是一個實體才能進(jìn)行加工。因此，要把從Geomagic Studio 中導(dǎo)入進(jìn)來的曲面片模型縫合成實體模型。將從Geomagic Studio 里面導(dǎo)出的曲面模型IGES 格式的文件導(dǎo)入到UG 里面[6]，切換到俯視圖，然后建立一個基準(zhǔn)平面，在用修建片體命令把人像手端和身體下端的三個孔填好后，用縫合命令把曲面片縫合，將曲面模型轉(zhuǎn)換成實體模型。

3.2 數(shù)控編程

在UG 加工環(huán)境中，通過創(chuàng)建刀具、機(jī)床坐標(biāo)系、工序，然后設(shè)置工作部件、毛坯、切削區(qū)域、驅(qū)動方法、刀軸、切削參數(shù)等[7]，便可自動生成刀軌并進(jìn)行3D 動態(tài)演示，生成處理文件后就可以得到加工的程序代碼。當(dāng)然這些代碼不是百分百正確的，后期用VERICUT 進(jìn)行仿真驗證后，再稍微地修改和優(yōu)化即可。

3.2.1 粗加工

先進(jìn)行粗加工，目的是盡快切除材料，考慮到人像比較大，不好找合適材料來進(jìn)行。因此，粗加工之前，先把人像縮小，縮放值為0.1，然后建立加工人體的毛坯，建立一個直徑為56 mm，高為76 mm 的圓柱，可將毛坯透明度調(diào)整為70，方便看到加工人像。點擊進(jìn)入加工環(huán)境后，創(chuàng)建的CAM 設(shè)置選擇mill_multi_axis，即多軸銑加工模板，然后創(chuàng)建刀具，點擊創(chuàng)建刀具圖標(biāo)，類型就保持默認(rèn)的mill_multi_axis，刀具子類型選擇MILL（銑刀），輸入名稱d10，確定。銑刀直徑輸入10，其他參數(shù)默認(rèn)不變，繼續(xù)創(chuàng)建直徑分別為5 mm 和3 mm 的刀具，為后面半精加工和精加工使用做準(zhǔn)備。

創(chuàng)建機(jī)床坐標(biāo)系及工序，在創(chuàng)建工序中，程序選擇PROGRAM，刀具選擇之前創(chuàng)建的d10，幾何體選擇WORKPIECE，方法選擇MILL_ROUCH（粗銑）。點擊選擇或編輯切削區(qū)域幾何體，選擇整個人體作為切削區(qū)域[8]。設(shè)置驅(qū)動方法相關(guān)參數(shù)后，點擊非切削移動圖標(biāo)，彈出非切削移動對話框，進(jìn)刀類型選擇為線性，其他保持默認(rèn)。點擊生成圖標(biāo)，等待一會兒后，生成的刀軌如圖5 所示。點擊確認(rèn)圖標(biāo)，彈出刀軌可視化對話框，選擇3D 動態(tài)，點擊播放后可看到模擬加工后的實體圖，如圖6所示。

圖5 粗銑后生成的刀軌圖

圖6 粗銑模擬加工后的實體圖

3.2.2 半精加工

半精加工是為精加工準(zhǔn)備的，點擊幾何視圖圖標(biāo)，切換到幾何視圖，復(fù)制WORKPIECE，粘貼后得到WORKPIECE_COPY。切換到加工方法視圖，將MILL_ROUCH下的VARIABLE_CONTOUR（可變軸曲面輪廓銑）復(fù)制到MILL_SEMI_FINISH（半精銑）下，雙擊半精銑下的文件，彈出可變輪廓銑對話框，幾何體選擇WORKPIECE_COPY，點擊編輯圖標(biāo)，重新選擇粗銑后的實體作為毛坯，部件保持之前在粗銑階段選擇的人體，點擊驅(qū)動方法下的編輯圖標(biāo)，將步數(shù)改為100，刀具改為5（銑刀-5 參數(shù)），點擊切削參數(shù)，將余量改為0.25。半粗銑后生成的刀軌圖如圖7所示，模擬加工后的實體圖如圖8所示。

圖7 半粗銑后生成的刀軌圖

圖8 半粗銑模擬加工后的實體圖

3.2.3 精加工

點擊幾何視圖圖標(biāo)，切換到幾何視圖，復(fù)制WORKPIECE_COPY，切換到加工方法視圖，將MILL_SEMI_FINISH 下的VARIABLE_CONTOUR_COPY_1 復(fù)制到MILL_FINIS 下后，雙擊彈出可變輪廓銑對話框，將幾何體改為WORKPIECE_COPY_COPY，點擊幾何體后的編輯圖標(biāo)，將毛坯選擇為半精銑后的實體，點擊驅(qū)動方法欄的編輯，將步距數(shù)改為200，在工具下將刀具改為3（銑刀-5 參數(shù)），方法改為MILL_FINISH。精銑后生成的刀軌圖如圖9 所示，模擬加工后的實體圖如圖10所示。

圖9 精銑后生成的刀軌圖

圖10 精銑模擬加工后的實體圖

3.2.4 后處理

右擊粗銑下的VARIABLE_CONTOUR，點擊后處理，彈出后處理對話框，瀏覽打開建立好的后處理器，將文件拓展名改為txt，點擊確定，再經(jīng)過這樣的方法生成半粗銑、精銑的后處理文件。

4 建立機(jī)床模型

VERICUT 是一款可以進(jìn)行NC 程序的驗證、機(jī)床的模擬和NC 程序的優(yōu)化的數(shù)控模擬仿真軟件，在UG 中編程好后，為驗證加工程序的正確性，需要用VERICUT 軟件建立機(jī)床模型對其進(jìn)行仿真加工。VERICUT 自帶的建模功能可以建立機(jī)床模型，建模和裝配功能比較簡單，但不靈活，用VERICUT建模比較慢且復(fù)雜。因此，在UG 建立好機(jī)床模型后，將轉(zhuǎn)換格式導(dǎo)入VERICUT 中，根據(jù)四軸機(jī)床VMC1100B，用UG 的建模模塊大概按照1∶1 的比例建立好需要的機(jī)床零件，包括機(jī)床、夾具、零件、毛坯、切削刀具等。UG 中建立好的機(jī)床模型如圖11所示。

圖11 機(jī)床模型

5 用VERICUT軟件進(jìn)行虛擬仿真驗證

5.1 建立四軸機(jī)床運動副

打開VERICUT7.3，點擊文件下的工作目錄，將工作路徑設(shè)為保存有機(jī)床模型的文件夾，再次點擊文件下的新項目，彈出新的VERICUT 項目對話框，點擊確定。在項目樹中右擊Base，在添加模型下選擇“添加模型文件”，選擇之前從UG 中導(dǎo)出的機(jī)架stl 文件。右擊Base，在添加下添加一個Z 線性，繼續(xù)在Z線性下添加模型文件，模型文件選擇Z 軸的stl 文件，再右擊Z 線性添加一個主軸，在主軸下添加刀具，完成對立柱部分運動副的建立。右擊Base，添加一個Y 線性，在Y 線性下添加模型文件Y 軸，繼續(xù)在Y 線性下添加一個X 線性，在X 線性下添加模型文件X 軸的stl 文件。右擊X 線性，添加一個A 旋轉(zhuǎn)，在A 旋轉(zhuǎn)下添加模型文件旋轉(zhuǎn)盤A 軸。將項目樹中的附屬剪切在A 旋轉(zhuǎn)下，附屬中包含了夾具、毛坯和設(shè)計，分別在夾具、毛坯下添加相應(yīng)的stl 模型文件。為使毛坯能在立柱主軸正下方，在UG 中測量距離后，將各坐標(biāo)調(diào)整為：Spindle(-60,0,100)、Y(0,10,0)、X(-60,0,0)，由此完成了運動副的建立和機(jī)床模型導(dǎo)入，項目樹中各運動副的依附層次圖和VERICUT 中的機(jī)床模型圖分別如圖12、圖13 所示。

圖12 各運動副的依附層次圖

圖13 機(jī)床模型圖

5.2 用VERICUT進(jìn)行虛擬仿真加工

先定義刀具，刀具的直徑保持和UG 中創(chuàng)建的刀具直徑一致，在VERICUT 設(shè)置直徑分別為10 mm、5 mm、3 mm 的刀具，在項目樹中右擊加工刀具，點擊刀具管理器[9]，在對話框添加下的刀具中選擇新的銑削刀具，彈出“刀具ID：3”對話框，在刀具組件欄中選擇旋轉(zhuǎn)型銑刀，選擇平底銑刀，輸入平底銑刀參數(shù)：直徑為10，高和刃長都輸入100，其余保持默認(rèn)，點擊添加，關(guān)閉對話框。按同樣的方法添加直徑分別為5 mm 和3 mm 的平底銑刀，它們的高和刃長都分別輸入為100、50。為和在UG 中刀具名保持一致，將直徑為10 mm、5 mm、3 mm 的刀具名分別命名為0、1、2，最后將裝夾點都設(shè)為0 0 100，0 號刀的裝夾方向為0 0 1，它們的刃數(shù)都設(shè)為2，由此刀具設(shè)立完成。添加控制，在項目樹中雙擊控制，選擇四軸控制系統(tǒng)fan30im。點擊G 代碼偏置，在項目樹下面的對話框中將偏置名設(shè)為工作偏置[10]，寄存器欄輸入54，點擊添加按鈕，彈出工作偏置對話框，特征選項中從組件名字選擇為Tool，到組件名字選擇為stock。雙擊數(shù)控程序，選擇之前在UG 中生成的后處理文件。為了讓VERICUT 能連續(xù)地把從粗銑加工到精銑加工的虛擬仿真連續(xù)仿真出來，就需要把各加工階段的后處理程序放在一起，但是要將粗加工的程序結(jié)束%號、半精加工的程序開始%號和結(jié)束%號和精加工的程序開始%刪掉，只留下粗加工的程序開始%號和精加工的程序結(jié)束%號。在VERICUT 中虛擬仿真完成后的加工圖如圖14所示。

圖14 VERICUT 中虛擬仿真加工圖

6 結(jié)論

以人像曲面為例，通過使用手持式三維掃描儀獲取人像點云數(shù)據(jù)，通過用Geomagic 進(jìn)行逆向建模，再用UG 進(jìn)行數(shù)控編程，最后在VERICUT 軟件中進(jìn)行虛擬仿真加工驗證。以上實例證明，運用逆向工程結(jié)合數(shù)控加工可以直觀觀察到復(fù)雜曲面產(chǎn)品加工過程，及時發(fā)現(xiàn)加工過程中存在的問題并進(jìn)行及時修改，最大程度減少廢品率，提高加工效率，縮短復(fù)雜曲面加工周期，對現(xiàn)代制造業(yè)具有重要的現(xiàn)實意義。