基于逆向工程的空調(diào)遙控器面板設計與模具型腔加工

李 碩，肖書浩，管維龍

（華中科技大學 武昌分校機電與自動化學院，武漢 430064）

0 引言

逆向工程指的是根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品的物理模型，利用三坐標測量機獲取模型表面的三維點云數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù)據(jù)進行擬合，構(gòu)建一個完整的CAD模型。逆向工程是數(shù)字化與快速響應制造大趨勢下的一項重要技術(shù)，是CAD領(lǐng)域中的一個相對獨立的范疇。目前有關(guān)逆向工程的研究和應用大多數(shù)針對實物模型的幾何形狀的反求，在這個意義下，逆向工程是根據(jù)已有實物模型的坐標測量數(shù)據(jù)，重新建立實物的數(shù)字化模型，而后進行分析、修改、快速原型制造和數(shù)控加工等。通過實物模型產(chǎn)生其數(shù)字化模型，可以充分利用數(shù)字化的優(yōu)勢，提高設計、制造、分析的質(zhì)量和效率，并適應智能化、集成化、網(wǎng)絡化的產(chǎn)品設計制造過程中的信息存儲與交換。本文通過實例介紹了逆向工程技術(shù)的應用，并結(jié)合其他CAD/CAM軟件，完成了產(chǎn)品的設計和制造的一體化。

1 空調(diào)遙控器的測量

本文采用了三坐標測量機對空調(diào)遙控器進行掃描，來獲得點云數(shù)據(jù)。由于所要測量的遙控器近似于長方體，為了方便后期對點云進行拼合等處理，故需要對遙控器上、下、左、右、前、后六個面分別進行測量。啟動測量機后，需要通過對基準球的標定來盡可能的減小誤差，使測量出的坐標結(jié)果具有較高精度。然后“三點”，即掃描起始點、方向點和結(jié)束點。通過手動控制操作手柄，根據(jù)待測量實物的形狀來定義三點的位置，每確定完一個點，需要在計算機上按先后順序點擊“生成路徑”和“保存數(shù)據(jù)”。圖1和圖2分別為采用的三坐標測量機和正在掃描遙控器上表面的工作情況，圖3為最終通過對六個面的掃描獲得的點云數(shù)據(jù)。

圖1 采用的三坐標測量機

圖2 掃描遙控器上表面

圖3 空調(diào)遙控器六個面掃描所得點云

2 點云數(shù)據(jù)的處理

在獲取了空調(diào)遙控器的三維數(shù)據(jù)后，需要在曲面重構(gòu)前對點云進行必要的處理，以獲得滿意的數(shù)據(jù)。因為在掃描過程中不可避免的引入數(shù)據(jù)誤差，尤其是在尖銳邊緣和產(chǎn)品邊界附近的測量數(shù)據(jù)誤差。測量數(shù)據(jù)中的壞點可能使該點及其周圍的曲面片偏離原曲面，同時由于實物幾何拓撲和測量手段的制約，在數(shù)據(jù)測量時會存在部分測量盲區(qū)和缺口，給后續(xù)造型帶來影響。本文采用剔除和拼合的方法對點云數(shù)據(jù)進行了處理。

2.1 測量數(shù)據(jù)的剔除

首先用Geomagic Studio軟件打開“上表面”點云數(shù)據(jù)文件，點擊工具欄，選擇需要剔除的區(qū)域后，點擊鍵盤上Delete鍵即刪除所選區(qū)域。

圖4 剔除前的上表

圖5 剔除后的上表面

2.2 測量數(shù)據(jù)的拼合

為了得到空調(diào)遙控器整體的點云數(shù)據(jù)，在剔除偏差比較大的“壞點”后，就可以開始拼合工作。首先拼接上邊面與右側(cè)面。在軟件中打開上表面與右側(cè)面點云數(shù)據(jù)文件，在管理器面板中選中打開的兩個文件，點擊工具欄中手動注冊完成拼合，如圖6所示。

圖6 拼接后的上表面和右側(cè)面

圖7 六個面拼合完成后的點云

在管理器面板中注冊模式中選取n點注冊方式，在上表面與右側(cè)面點云數(shù)據(jù)中各選取至少3個點作為注冊的依據(jù)。點選取完成以后，點擊管理器面板中確定按鈕，電腦將自動根據(jù)所選取的點對2塊點云數(shù)據(jù)進行拼合，手動注冊完成后，再采取全局注冊的方式對拼接的點云數(shù)據(jù)做進一步的調(diào)整，使拼接的點云數(shù)據(jù)更精確，全局注冊后如圖8所示。

將全局注冊后的點云數(shù)據(jù)另存為一個文件名，導入另外一個面的點云數(shù)據(jù)，依照以上的步驟，繼續(xù)進行拼接工作，直至完成六個面的拼接。

3 空調(diào)遙控器的結(jié)構(gòu)設計

通過以上工作，我們已經(jīng)將空調(diào)遙控器實物進行了數(shù)據(jù)化，并且對得到的三維數(shù)據(jù)進行了簡單的預處理，利用Imageware軟件對點云進行了標準曲線的擬合，測量得到了遙控器關(guān)鍵部位的尺寸。利用這些主要部位的尺寸后，通過UG繪圖軟件的繪制草圖、拉伸、布爾運算及倒角等操作建立空調(diào)遙控器實物模型。最終繪圖結(jié)果如圖8～圖11所示。

圖8 遙控器上蓋正面圖

圖9 遙控器上蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖10 遙控器反面

圖11 遙控器反面內(nèi)部結(jié)構(gòu)

建模完成后，利用UG軟件的“制圖”模塊，導出空調(diào)遙控器的工程圖如圖12所示，在導出2D模式后，可以用AUTOCAD進行稍微修改。

圖12 UG生成工程圖

4 遙控器面板的數(shù)控加工仿真

工程圖輸出完成以后，在Mastercam軟件下，導入遙控器面板的工程圖，并最后通過MaterCAM軟件生成遙控器面板的加工程序代碼。在Matercam軟件中的設計過程步驟的結(jié)果如圖13所示。

圖13 遙控器型腔設計步驟

5 結(jié)論

本文通過逆向工程，對空調(diào)遙控器的面板進行了三位測量，得到點云數(shù)據(jù)并進行處理后，用UG軟件對其進行了三維建模，并將模型的二位圖導入到MasterCAM軟件中，進行了簡單的型腔數(shù)控加工仿真。這種設計方法結(jié)合了先進的反求理念，并將一些三維的CAD/CAM軟件融合進來，充分體現(xiàn)了產(chǎn)品設計和制造的一體化概念。

[1] 劉偉軍.逆向工程原理方法及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社,2009.

[2] 王霄.逆向工程技術(shù)及其應用[M].北京：化學工業(yè)出版社,2004．

[3] 單巖,謝斌飛,等.Imageware逆向造型技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學出版社,2006.

[4] Ping Fu.Reverse engineering.Aerospace Engineering.2004,(9).

[5] 許智欽,孫長庫.3D逆向工程技術(shù)[M].中國計量出版社,北京,2002.

[6] 張三元,孫守遷,潘云鶴.基于產(chǎn)品反求工程的產(chǎn)品創(chuàng)新設計方法[J].計算機輔助設計與圖形學學報,2000,12(11):851-855.

[7] 陳志楊.基于三角曲面的逆向工程以D建模方法.中國機械工程,2003,14(8):698-700.

[8] 劉常青,彭翔,張宗華,胡小唐.基于逆向工程(RE)多數(shù)據(jù)點云的處理[J].工程圖學學報2002,23(4):33-39.

[9] 張舜德,朱東波,盧秉恒.反求工程中三維幾何形狀測量及數(shù)據(jù)預處理[J].機電工程技術(shù),2001,30(1):7-10.

[10] 李江雄,柯映林.基于特征的復雜曲面反求建模技術(shù)研究[J].機械工程學報,2000,36(5):18-22.