基于NX的齒輪泵逆向設計

劉帥 苗盈

摘? 要：以齒輪泵為例介紹了逆向設計的方法和流程。首先使用三坐標測量機采集齒輪泵各個零件的點云數據，然后采用Siemens NX軟件對齊點云數據進行逆向建模，最后使用3D打印機制作實物樣品來驗證逆向設計是否合理。通過逆向工程可以吸收先進技術，縮短產品開發周期，對產品的快速開發和改進創新具有一定的應用價值。

關鍵詞：逆向設計;齒輪泵;3D打印;三坐標測量

中圖分類號：U463.6? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）25-0044-03

Abstract： Taking gear pump as an example， the method and process of reverse design are introduced. Firstly， the point cloud data of each part of gear pump was collected by coordinate measuring machine. Then Siemens NX software was used for aligning point cloud data and reverse modeling. Finally， 3D printer is used to make physical samples to verify whether the reverse design is reasonable. The prototype of gear pump can be quickly restored through reverse design， on this basis the following product improvement and innovative design can be carried out， and the development cycle of gear pump can be shortened.

Keywords： reverse design; gear pump; 3D printing; three-coordinate measuring

1 概述

逆向工程技術是通過現代測量手段獲取產品外形點云數據，進行數字模型重構并優化，完成設計意圖，得到預期產品模型，最后利用先進制造技術制作模型樣品，測試模型可用性的過程，廣泛用于模具設計、快速成型等領域[1-3]。本文以齒輪泵為載體，使用三坐標測量機采集齒輪泵各個零件的點云數據，然后采用Siemens NX軟件對齊點云數據并進行逆向建模，最后使用3D打印機制作實物樣品來驗證逆向設計是否合理，其逆向設計流程如圖1所示。

2 數據采集

數據采集是從已有產品原型表面獲取點云數據的過程[4]。點云數據采集是逆向設計的基礎[5]。常見的數據采集方式有三坐標測量機采集和激光掃描儀采集兩種，本文采用三坐標測量機對齒輪泵進行接觸式數據采集。首先進行數據采集規劃，其目的是使數據采集正確、高效。一般原則是：（1）順著特征方向走，沿著法線方向采;（2）重要部位精確多采，次要部位適當取點;（3）復雜部位密集采點，簡單部位稀疏采點;（4）先采外廓數據，后采內部數據[6]。

圖2（a）所示為使用三坐標測量機采集上端蓋數據的過程，圖2（b）所示為采集得到的上端蓋點云數據，將點云數據保存為IGES格式。齒輪泵其他零件的數據采集方法與上端蓋類似。

3 數據對齊

導入到NX軟件中發現齒輪泵各個零件的點云數據的位置關系不正確，如圖3（a）所示。所以，必須進行點云數據對齊操作，對齊流程如圖4所示。

第一步，對齊上端蓋和泵體的點云數據。首先，選擇上端蓋底面上的點云數據創建一個平面。然后，將構成圓孔的點云數據投影到平面上，用這些投影點創建兩個圓。最后，連接兩個圓的圓心創建一條直線。上端蓋坐標系的Z軸方向為平面的法向，X軸方向為直線方向，原點為直線的中點。用同樣的方法創建泵體的坐標系。移動組成泵體的所有點云數據，使泵體的坐標系與上端蓋的坐標系對齊。

第二步，對齊泵體和下端蓋的點云數據。此時，不需要重新建立泵體的坐標系，只需將其移動至泵體與下端蓋的安裝面上，然后建立下端蓋的坐標系。同樣，移動下端蓋的所有點云數據，使泵體的坐標系和下端蓋的坐標系對齊。

最后用同樣的方式，將底座的點云數據對齊到下端蓋。對齊后的齒輪泵點云數據如圖3（b）所示。

4 逆向建模

采用Siemens NX軟件在點云數據的基礎上對齒輪泵進行逆向設計，下面從過點精度、基準坐標系、成型特征和裝配特征四個方面進行介紹。

4.1 過點精度

過點精度是指通過逆向設計創建的特征與點云數據的之間的偏差，是衡量逆向設計是否精確的重要指標之一。過點精度要求與特征類型有關，一般特征的過點精度要求在0.5mm以內，上端蓋的頂平面、底平面和四周側面是確定基準坐標系的重要依據，所以這些平面的過點精度要求在0.2mm以內。螺絲孔、齒輪軸安裝孔等與裝配有關的特征，過點精度要求在0.3mm以內。

4.2 基準坐標系

觀察產品外觀和點云數據，發現各個組件的頂平面和底平面均互為平行，且與內部結構近似垂直，所以上端蓋、泵體、下端蓋和底座四個組件共用一個基準坐標系，并將其確定在上端蓋的頂面上。圖5所示為最終創建的基準坐標系。

4.3 成型特征

上端面、泵體和下端蓋的分型線均位于底平面上方2mm處。以分型線所在處的平面為工具，使用拆分體命令將整體拆分成兩部分，分別進行拔模。為了滿足模具成型工藝，保證產品能順利的從模具中取出，在設計過程中設置脫模斜度。脫模斜度的大小可以參照點云數據，但必須保證脫模斜度≥0.5°。

4.4 裝配特征

裝配特征制作的要點如下：（1）各個零件之間的安裝平面必須貼合;（2）上端蓋、泵體、下端蓋和底座上的螺絲孔的軸線必須一致，上端蓋、泵體和下端蓋上的齒輪軸安裝孔的軸線也必須一致;（3）為了產品外形的美觀，上端蓋、泵體和下端蓋的外輪廓形狀保持一致;（4）設計完成后，利用Siemens NX軟件的裝配干涉功能檢查各個零件之間是否存在干涉。

5 設計驗證

為了驗證逆向建模得到的齒輪泵模型的尺寸和結構是否正確，將齒輪泵模型導入到Cura軟件中進行切片處理，然后以聚乳酸（PLA）為打印材料，采用熔絲堆積（FDM）3D打印機試制了齒輪泵的各個零件，如圖6（a）所示。通過外觀檢驗和裝配驗證，齒輪泵各個零件的尺寸及其裝配關系正確，如圖6（b）所示。

6 結束語

以齒輪泵為例詳細介紹了逆向設計的方法和流程，包括數據采集、數據對齊、逆向建模和設計驗證四個方面。通過逆向工程可以吸收先進技術，縮短產品開發周期，對產品的快速開發和改進創新具有一定的應用價值。

參考文獻：

[1]李菲.基于逆向工程的塑料制品造型設計[J].塑料科技，2012，40（2）：76-79.

[2]王君，李文濤，程群超，等.基于逆向工程的產品設計研究[J].塑料科技，2019，5.

[3]秦旭紅.逆向工程技術在箱體零件設計中的應用[J].現代制造技術與裝備，2019（02）：34-35.

[4]謝騏.基于三坐標測量機的數據采集技術[J].機械研究與應用，2006，19（5）：59-60.

[5]徐連強.陶瓷產品逆向工程建模創新設計[J].輕工科技，2018，34（07）：83-84.

[6]朱建寧.面向制造的車鉤幾何反求方法研究[D].大連交通大學，2008.