逆向工程技術在食品機械中的運用

李粉霞 楊潔明

（1.山西機電職業技術學院，山西 長治 046011；2.太原理工大學，山西 太原 030024）

逆向工程技術是在已有實物模型的基礎上，運用三維掃描儀或三坐標測量儀等先進的測量手段，獲得測量數據。根據測量數據通過三維數字化設計手段，對產品進行重構數學模型并制造得到新產品的相關技術，已經成為CAD/CAM系統中的研究和應用熱點，并發展成為一個相對獨立的領域。逆向工程技術以其周期短、成本低、效率高等優點正逐步成為一種全新的設計思路。

“凸輪導槽”作為全自動餛飩機的主要部件，在機構運行過程中具有引導封口部件上下嚙合緊壓面片的主要作用，然而，在實際使用過程中由于磨損、沖擊頻繁，使其機構極易損壞，而其部件的更換又往往遇到型號不匹配、價格昂貴等因素的影響。在對全自動餛飩機“凸輪導槽”機構零件研制過程中，研制小組采用正向設計的思路，通過精確測量，推導凸輪公式曲線的方法對產品進行開發設計，但是，由于測量繁雜、參數誤差等因素，設計出的零件與其他機構無法實現精確裝配和運轉［1］。因此，研制小組轉而采用逆向工程的相關技術對零件進行研制。對凸輪槽機構的數據采集策略、geomagic studio點云處理、CAXA曲面設計、曲面分析以及零件的加工工藝分析、CAXA自動編程與加工等關鍵技術進行研究，旨在帶給人們一種全新的設計制造理念。

1 產品的逆向數字化設計與制造流程

產品的逆向流程見圖1。

圖1 逆向設計流程圖Figure 1 Reverse design flow chart

2 零件的數據采集與處理

2.1 零件數據采集策略

零件的三維數據采集是產品逆向設計的關鍵步驟，是后續工作的基礎；數據采集的準確性、完整性是衡量采集設備的重要指標也是保證后續工作高質量完成的重要前提［2］。在對“凸輪導槽”結構進行充分分析的基礎上，對采集方案進行了合理的規劃，考慮到產品對凸輪槽表面要求較高，在數據采集方式上采用北京三維天下有限公司生產的WIN3DD單目非接觸掃描儀進行掃描；在掃描技巧上對產品進行了噴粉與貼標記點處理［3］；在掃描方式上，考慮到該產品特征不明顯，且對稱面不容易識別等特點，使用“拼接掃描”對各部分點云進行自動拼接［4］。

其中，為了保證掃描策略的順利實施，標志點的粘貼方式堅持了標志點要盡量貼在工件的平面區域或曲率較小的曲面，以不影響特征采集；依據三點確定平面原則，標志點不可貼在一條直線上，正、反兩面也不允許對稱粘貼；為了便于自動拼接，遵循每相鄰旋轉角度之間的公共標志點不少于4個的原則。得到了均勻、完整、精確的點云數據，見圖2。

圖2 自動拼接掃描得到的點云Figure 2 Automatic splicing scan point cloud

2.2 點云數據處理

掃描所得的點云數據保存為.txt或.asc格式，導入到Geomagic studio逆向工程軟件中，進行點云數據的降噪、精簡、修補、采樣、封裝等處理。Geomagic studio可輕易地從掃描所得的點云數據創建出完美的多邊形模型和網格，并可自動轉換為NURBS曲面。然而基于產品的設計思路以及復雜曲面的光順性考慮，本產品只是在此對點云進行簡單的處理，然后在CAXA軟件中對產品進行數字化的重新設計，確保產品的工業性與機械特性［5］。處理后的凸輪導槽曲面見圖3。數據處理后的曲面保存為.stl格式文件。

圖3 點云處理后的封裝曲面Figure 3 The package surface

3 凸輪導槽的參數化再設計

曲面重構的質量好壞直接關系到產品的質量精度，因此曲面重構也是實現逆向工程中較為重要的一個步驟［6］。凸輪導槽的數字化三維重構是在充分分析產品的原設計思路的前提下，運用標準機械特征手動測繪與非標準曲面三維掃描的方法，遵循“點—線—面”的重構思路，確保生成更為準確和光順的曲面。

3.1 產品的擺正

將經過數據處理的.stl或.igs曲面導入CAXA制造工程師軟件，首先對擬合曲面進行坐標的對正，坐標對正對曲面的參數化建模和后續加工起著關鍵的作用。

產品的擺放角度理論上是以最省模具材料為原則，對于有滑塊的，擺放基準為滑塊方向。若產品是對稱的，找出對稱中心，按對稱中心線擺正［7］?？紤]到本餛飩機凸輪導槽機構屬于在四軸加工中，上下表面自然成型的結構，因此，凸輪曲線是本產品造型的關鍵參數曲線，在此只需要得到較精確的凸輪槽曲線即可，另外一邊的造型，根據軟件中的鏡像、旋轉等命令便可完成另一邊的造型，這樣既給逆向造型減少了工作量，同時也保證了產品的美觀和對稱性；縱觀該產品，具備標準機械特性的特征為圓柱表面和圓柱上表面的孔，因此，首先根據手動測得的圓柱體尺寸與點云擬合的小孔的位置對圓柱表面和孔進行曲面重構，以其圓柱內孔與小孔中心點的連線作為零件X軸坐標。以圓柱軸線作為Z軸坐標，根據笛卡爾直角坐標系原則，利用“三點擬合”命令對零件進行對正，結果見圖4。

圖4 零件坐標對正Figure 4 Coordinate alignment

3.2 特征曲線的獲取

在對凸輪槽機構進行細致分析的基礎上，根據“先整體后局部”的設計規劃原則，對凸輪槽上各特征尺寸，采用不同的測量儀器來獲得：① 運用三坐標測量機測得凸輪槽圓柱體的直徑和高度；② 圓柱體表面孔與側孔的尺寸也可手動測得；③ 本產品中最關鍵的參數即為凸輪槽曲線以及各孔的位置數據，該數據通過三維掃描儀所測得的點云擬合曲面進行獲取。

基于以上測量原則，一條較高精度的凸輪槽曲線的獲取需要經過3個步驟：① 由于同一角度上槽面高度一致，在曲面對正的基礎上，在圓柱底平面繪一略小于圓柱直徑的圓弧，沿Z正向進行投影于凸輪槽曲面，獲得一條凸輪曲線，見圖5（此曲線在geomagic曲面擬合軟件中只是簡單地進行擬合，曲線流線達不到精度要求）；② 在底面圓弧上每10°均布畫線，求出每條等分線與凸輪槽曲線的投影交點，運用CAXA軟件中查詢命令，獲得各點Z軸坐標，即為曲面上各點的高度（見圖6、7）；③ 根據所測得的各點Z坐標，每隔10°，繪制Z向曲線段，將曲線上各點用樣條閉曲線方式進行連接，得到所需要的高精度的凸輪槽曲線。并對樣條曲線進行起、始點相切處理和曲線曲率梳分析，可以改變控制點的數目來調整曲線?？刂泣c增多則形狀吻合度好，控制點減少則曲線較為光順。圖8為凸輪槽樣條曲線。

3.3 零件特征創建

曲面或實體生成方法有很多，在CAXA制造工程師中，實體生成的命令有拉伸、旋轉、導動、放樣等方式，曲面的生成方式可以用點陣直接生成曲面，可以用曲線通過直紋、掃掠、導動等方法生成曲面，也可以結合點陣和曲線的信息來創建曲面。還可以通過其它例如圓角、過橋面、網格等生成曲面［8］。

圖5 線面投影Figure 5 Wire surface projection

圖6 凸輪槽曲線參數點Figure 6 CAM groove curve parameters

圖7 曲線展開圖Figure 7 Curve graph

圖8 凸輪槽樣條曲線Figure 8 CAM slot spline curve

在本產品的建模過程中，圓柱體的生成使用了“拉伸”命令，見圖9；而凸輪槽部分則用到了“直紋面”命令，再以直紋面由“曲面加厚”命令生成為體特征，見圖10；另端特征，是在樣條曲線向上平移與槽寬相等的距離基礎上，生成直紋面，繼而曲面加厚而成；孔特征由點云擬合獲取其正確位置，圖11為零件實體圖。

圖9 “直紋”曲面Figure 9 Straight grain surface

圖10 “曲面加厚增料”特征Figure 10 “Increasing material surface thickening”feature

圖11 完整零件圖Figure 11 Complete detail drawings

3.4 CAD曲面質量分析

計算輔助設計所得到的CAD曲面與原產品之間必然會存在一定的差異，這種差異是否能夠滿足設計或裝配要求，可以將重構所得曲面模型保存為igs格式文件，導入至Geomagic Qualify軟件中與原始點云進行比對，迅速得出檢測結果。在Geomagic Qualify軟件中，首先需要將CAD模型和掃描數據點云分別設為檢測對象和參考對象。通過自動最佳擬合方式或手動擬合方式進行“坐標對齊”，后進行“3D比較”，誤差以彩色圖形直觀顯示，比較結果見圖12，平均偏差為0.16，符合產品研制開發要求。應用軟件中的“生成質量報告”命令，可以將3D比較的結果生成質量報告，報告以.pdf格式保存。

圖12 曲面質量分析Figure 12 Surface quality analysis

4 凸輪導槽的多軸加工

4.1 零件加工工藝方案制定

該產品中圓柱面上的特征較多，采用四軸加工中心來完成產品的制作，其中上表面孔的加工由其三軸功能來完成，槽與側孔的加工采用四軸模塊來完成。考慮到零件長度較短，零件的裝夾中用到了輔助元件心軸與頂尖，采用一夾一頂的裝夾方式。編程運用CAXA軟件中CAM功能進行自動生成加工程序，具體加工方案：

（1）粗加工。粗加工考慮以去除余量為主，所以刀具選擇Φ16mm的立銑刀，運用多軸加工中的“四軸柱面曲線加工”方式進行，走刀方式為往復加工，減少抬刀次數；下刀選擇毛坯外“直線下刀”方式，使刀具進行切線切入切出，有效地防止切入時振動過大造成刀具斷裂；由于槽深為10mm，所以在參數設置中，采用分層切削，每次切深為3mm，在機床剛性范圍內，既保證了效率又確保了安全，同時為精加工留下均勻的余量。

（2）精加工。曲面精加工方法的選擇和參數的設置直接關系到曲面的表面質量和精度，針對該產品，在精加工過程中，用直徑為Φ6mm的硬質合金立銑刀，仍采用“四軸柱面曲線加工”的方式進行，刀具走刀路線圍繞柱面進行環形走刀，工件在加工過程中繞X軸進行360°旋轉，加工行距為1mm。圖13中，精加工軌跡是為了顯示清楚，把行距變大2倍后的刀具軌跡。

圖13 粗、精加工軌跡Figure 13 Rough and finish machining

4.2 零件的試切驗證加工

零件的仿真加工已經成為產品投入生產前進行檢驗的關鍵步驟，在本產品的仿真加工驗證中，運用專用的多軸加工仿真軟件Vericut 7.3對刀具路徑和加工工藝進行驗證，可以根據驗證分析結果對程序進行進一步的優化。圖13為采用vercut軟件真模塊進行的粗、精加工仿真結果。

零件程序經過仿真加工后，根據實際加工機床的系統，由CAM軟件生成與機床系統相匹配的程序，通過在線傳輸或者存儲卡輸入的方式傳入數控機床進行加工，零件的實際加工在配有FANUC系統四軸聯動加工中心上進行，采用一夾一頂的定位方式，完成零件的一次裝夾全部加工。將所生產零件替換自動餛飩機損壞部件，導槽機構完全可以實現餛飩加工的最后一道工序封口的功能，沒有發生卡死或脫落現象，達到預期目標，投入正常使用。

5 結論

隨著制造行業產品競爭力的日趨激烈，自動化程度的不斷提高，關鍵零部件的結構也日趨復雜，單靠傳統的設計與制造方法，已經遠遠趕不上時代需求，因此，產品的數字化設計與制造顯得尤其重要。文章圍繞“凸輪導槽機構”，用逆向的思維，結合三維掃描儀、Geomagic studio軟件、CAXA（CAD/CAM）軟件、Geomagic qualify軟件等數字化設計與制造手段，對其設計過程中逆向技術、參數建模、數字化制造等關鍵技術進行了研究，針對產品對數據采集策略進行了合理規劃，在充分分析產品的原設計思路的前提下，提出了“點—線—面”的曲面重構思路，并對重構曲面進行了質量分析，運用數字化的手段完成了零件的加工。為人們運用逆向技術進行產品的數字化設計與制造提供了一種全新的設計思路和可供參考的典型經驗［9］。

1 王霄.逆向工程技術及其應用［M］.北京：化學工業出版社，2004：89.

2 朱建能，周繼偉，吳正洪，等.基于逆向工程的零件反求設計與制造［J］.硅谷，2012（11）：46～48.

3 吳迎春.基于Geomagic和UG的逆向工程造型與制造應用［J］.機械制造與自動化，2010，39（5）：120～122.

4 胡影峰.Geomagic Studio軟件在逆向工程后處理中的應用［J］.制造業自動化，2009，31（9）：135～138.

5 安曉超.汽車覆蓋件逆向重構及拉延成形數值模擬［D］.鎮江：江蘇大學，2008.

6 吳克.基于逆向工程的吉普車外覆蓋件造型建模方法研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學，2013.

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

8 呂漢明，王揚.用于三角網格模型的啟發式四邊區域劃分算法［J］.吉林大學學報（工學版），2008，38（l）：158～160.

9 元慶凱，葛正浩，王金水，等.逆向工程在塑料產品數字化設計與制造中的應用［J］.機械設計與制造，2010（10）：89～91.