基于逆向工程對電動剃須刀的設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shè)計(jì)與數(shù)控加工。

關(guān)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(chǎn)生于20世紀(jì)80年代末至90年代初。傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程遵循正向工程的思維，即從概念設(shè)計(jì)到圖樣，再制造出產(chǎn)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(chǎn)品引進(jìn)、消化與創(chuàng)新的思路，即根據(jù)已有的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，包括設(shè)計(jì)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(jié)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(jìn)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(shè)備和測量方法獲取產(chǎn)品表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將產(chǎn)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(diǎn)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(shè)備標(biāo)定板的大小，本文選用中板進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果誤差小于0.06mm，符合設(shè)備使用要求。

（2）由于電動剃須刀實(shí)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(diǎn)云。因此，標(biāo)志點(diǎn)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(biāo)志點(diǎn)，便于掉頭掃描時的拼接。

（4）準(zhǔn)備工作就緒后進(jìn)行電動剃須到掃描工作，將準(zhǔn)備好的剃須刀正立放置在3D掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺上旋轉(zhuǎn)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(biāo)志點(diǎn)正對鏡頭，作為倒立后的首次掃描面，從而利用公共點(diǎn)完成正立與倒立特征的拼接，在倒立360°掃描結(jié)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(dǎo)入到Geomagic Wrap 2015逆向工程軟件中進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。

2、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于設(shè)備、環(huán)境、零件表面質(zhì)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(diǎn)、跳點(diǎn)、無序點(diǎn)，影響數(shù)據(jù)的精確性，因此對得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行下述預(yù)處理很有必要：

（1）啟動Geomagic Wrap 2015軟件，導(dǎo)入點(diǎn)云，對點(diǎn)云進(jìn)行著色。

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

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

（4）單擊工具欄中“減少噪音”命令，設(shè)置相關(guān)參數(shù)減少在掃描過程中產(chǎn)生的一些噪聲點(diǎn)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(diǎn)的偏差值，在后來封裝的時候能夠使點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一排布，更好地表現(xiàn)真實(shí)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(xiàng)，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(chǔ)上減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)量的大小，減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以使數(shù)據(jù)的運(yùn)算速度更快，提高運(yùn)算效率。

（6）封裝數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多邊形模型，并對得到的多邊形模型進(jìn)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(biāo)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(dǎo)入到該軟件中，采用自動分割命令劃分領(lǐng)域組，敏感度設(shè)置為30。再使用插入、合并命令，完善領(lǐng)域組。剃須刀主體用3D面片草圖截取多邊形模型，設(shè)置合適的控制點(diǎn)，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(dǎo)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(jìn)行倒圓角，整體進(jìn)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(jié)果與掃描數(shù)據(jù)偏差±0.02mm。將完成的剃須刀實(shí)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(dǎo)入到中望3D軟件中，創(chuàng)建35×50×80毛坯。該零件材質(zhì)為尼龍，有復(fù)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(jìn)行粗加工、半精加工和精加工；再掉頭裝夾對底部進(jìn)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(biāo)系及加工刀具

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

根據(jù)機(jī)床的剛性、毛坯材料，模型結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)系 → 重復(fù)輪廓開粗+精加工 → 重復(fù)端面加工。

（4）后處理

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

5、結(jié)論

對已有產(chǎn)品進(jìn)行新的開發(fā)設(shè)計(jì)，是制造業(yè)中的不可或缺的環(huán)節(jié)。以逆向工程技術(shù)為基礎(chǔ)，對復(fù)雜曲面零件進(jìn)行再創(chuàng)造并用數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行加工研究，對于推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

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