基于CAXA的逆向工程實現(xiàn)技術(shù)

采用意大利COORD3 公司的AERS 三坐標(biāo)測量機(jī)采集數(shù)據(jù)，利用英國DELCAM 公司的CopyCAD 軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，導(dǎo)入中國北航- 海爾的CAXA 制造工程師軟件系統(tǒng)重構(gòu)曲面，并生成NC 程序，從而實現(xiàn)零件的快速制造.

??? 關(guān)鍵詞：逆向工程；曲面重構(gòu)；CAXA；快速制造

1 引言

??? 美國等發(fā)達(dá)國家把敏捷制造技術(shù)列為21 世紀(jì)制造業(yè)發(fā)展的策略，也逐漸得到世界上其他國家的普遍重視. 作為敏捷制造技術(shù)重要分支的逆向工程技術(shù)為快速設(shè)計和制造提供了很好的支持，它已經(jīng)成為制造業(yè)信息傳遞的重要而簡潔的途徑之一. 逆向工程技術(shù)在加快產(chǎn)品開發(fā)速度、降低成本以及借鑒和吸收現(xiàn)代高新技術(shù)成果方面越來越顯示出強(qiáng)大的威力，已經(jīng)成為人們實現(xiàn)產(chǎn)品概念設(shè)計與復(fù)雜設(shè)計的有力武器.

??? 逆向工程技術(shù)主要包括采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、造型以及加工制造等幾個步驟. 其中造型是逆向工程的關(guān)鍵技術(shù). 由于逆向工程技術(shù)源于美國等發(fā)達(dá)國家，其造型軟件習(xí)慣上都是用美國Imageware 公司的Surfacer、PTC 公司的Pro / E、EDS 公司的UG/PointCloud，法國Matra 公司的Strim 100，英國Del-CAM 公司的CopyCAD、Renishaw 公司的Trace 等.

??? 這些國外原版的CAD/ CAM 應(yīng)用軟件價格昂貴、語言交流存在障礙、后續(xù)服務(wù)不到位、人員培訓(xùn)不足、技術(shù)問題溝通不便，且與我國工程設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)、作圖方法和工程習(xí)慣有所不同，給我國企業(yè)的工程技術(shù)人員開發(fā)和應(yīng)用帶來極大的不便.

??? 本人經(jīng)過長期的調(diào)研和實踐，采用中國北航-海爾的CAXA 制造工程師軟件（ 以下簡稱CAXA）重構(gòu)曲面，并生成NC 程序，能較好地完成零件的造型，且易掌握.

??? CAXA 是北航海爾軟件有限公司和青島海爾集團(tuán)研制推出的，它的造型方法分為三大類，即線架、曲面和實體. 這三類造型方法各有特色，可以獨立造型，也可以混合造型，并提供了十二種數(shù)控加工刀具軌跡生成方法，形成強(qiáng)大、實用的加工編程能力，足以對付平面和各種復(fù)雜曲面的加工，只要由三軸銑加工出來的曲面，CAXA 都能進(jìn)行刀具軌跡生成并自動生成數(shù)控加工的NC 代碼，從而在數(shù)控機(jī)床上直接進(jìn)行切削加工.

??? 本文以一塑料殼體外表面的逆向工程設(shè)計、制造為例，采用意大利COORD3 公司AERS 三坐標(biāo)測量機(jī)采集數(shù)據(jù)，利用英國DELCAM 公司的CopyCAD軟件系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)，導(dǎo)入中國北航- 海爾的CAXA重構(gòu)曲面，并生成NC 程序，從而實現(xiàn)零件的快速制造.

2 逆向工程及其流程

??? 逆向工程的流程通常是首先利用3D 數(shù)字化測量儀器準(zhǔn)確、快速地測量出現(xiàn)有工件（樣品或模型）的輪廓坐標(biāo)，再通過各種軟件對曲面進(jìn)行建構(gòu)、編輯、修改，傳至CAM 系統(tǒng)，生成NC 程序，最后送至CNC 加工機(jī)床制作所需模具，或送到快速成型機(jī)（Rapid Prototyping）將樣品模型制作出來. 其工藝流程如圖1 所示.

??? 其中，三維數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)是逆向工程的三大關(guān)鍵技術(shù). 本文也主要圍繞這三個方面來分析.

3 三維數(shù)據(jù)的采集

??? 在逆向工程中，準(zhǔn)確、快速、全面地獲取實物的三維幾何數(shù)據(jù)是實現(xiàn)逆向工程的基礎(chǔ). 隨著傳感技術(shù)、控制技術(shù)、制造技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的數(shù)據(jù)采集方法，主要有接觸式、非接觸式和破壞式三大類，其中代表性的數(shù)據(jù)采集設(shè)備有三坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）、光學(xué)掃描儀和斷層掃描儀.

??? 本次測量采用了意大利COORD3 公司AERS的三坐標(biāo)測量機(jī)，通過對長49 mm、寬120. 8 mm、高74. 7 mm 的塑料殼體外表面進(jìn)行多向有序掃描，掃描點達(dá)10 339 個，得到數(shù)據(jù)點云. 該點云以文本文件格式（. txt）存盤，可供CopyCAD（圖2）、Pro / E、UG等應(yīng)用軟件使用.

4 數(shù)據(jù)處理

??? 數(shù)據(jù)處理是逆向工程的關(guān)鍵一步，其處理效果將直接影響后期模型重構(gòu)的質(zhì)量. 本設(shè)計采用最簡潔的方法，即通過人機(jī)交互判別明顯壞點，然后將壞點、噪聲點去除. 接著對曲面的特征點、特征線進(jìn)行判定，獲得滿意的曲線，并光順處理，為下一步曲面重構(gòu)作好準(zhǔn)備.

??? 考慮到CAXA 不能直接讀取文本格式的點云文件，而Pro / E、UG 等軟件讀取點云數(shù)據(jù)時，也會因為數(shù)據(jù)龐大，造成一定的困難. CopyCAD 讀取點云等數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)工作速度較快，點線擬合容易，因此數(shù)據(jù)處理選擇在CopyCAD 中進(jìn)行.

??? 具體操作步驟如下：

??? 在CopyCAD 軟件中，利用標(biāo)準(zhǔn)工具欄中的Point Editing，選中并刪除壞點，單擊Triangle Generation，用其子工具欄的Triangulation Wizard 作出三角形模型；利用Model Editing，限制模型周邊多余三角形；再單擊Triangle Editing，選中并刪除壞的三角形，最后得到所需三角形模型（圖3）. 單擊標(biāo)準(zhǔn)工具欄中Curve Generation，利用Boundaries、Horizonline、Discontinuities、Scan lines 或Triangle ModelCross Section 等曲線生成方式，生成曲面重構(gòu)所需的特征曲線. 最后單擊Curve Editing，用其子工具欄的Curve Smoothing 進(jìn)行光順處理.

??? 為了使下一步CAXA 的曲面重構(gòu)中能重構(gòu)出光順、誤差極小的曲面，我們還必須由CopyCAD 得到足夠的特征曲線（圖4），并保存為曲線文件（. igs 文件）.

5 曲面重構(gòu)

??? 進(jìn)行面的擬合時，CopyCAD 所提供的工具較少，且面的質(zhì)量不高. 在很多時候，它做成的面，常需要在PowerMILL、PowerSHAPE 軟件中修改. Pro /E、UG 做的面質(zhì)量較高，但是軟件使用難度大. 綜合考慮，我們選用CAXA 重構(gòu)曲面.

??? 在CAXA 中打開上述由CopyCAD 導(dǎo)出的曲線文件（. igs 文件），利用其邊界面、網(wǎng)格面、放樣面、導(dǎo)動面等曲面工具進(jìn)行分片曲面造型，最后進(jìn)行曲面過渡、拼接、縫合等操作，形成理想曲面.

??? CopyCAD 導(dǎo)入的每條特征線，CAXA 都認(rèn)為是獨立曲線，且線上的每一點都可以用最近點進(jìn)行捕捉. 更為重要的是，CAXA 曲面造型不需要草圖，因此導(dǎo)入的每條特征線一般都可直接用來重構(gòu)曲面.若某些特征線不符合曲面造型條件時（ 如邊界面要求曲線首尾相連等），則可方便地對它們進(jìn)行如曲線裁剪、過渡、打斷、組合、延伸、刪除等編輯處理.

??? 當(dāng)然，也可以通過捕點方式，利用曲線工具，如直線、圓弧、圓、樣條線等重繪曲線. 由于曲線是由CopyCAD 導(dǎo)入的或通過捕捉導(dǎo)入的特征線上的點繪制的，因此只要在CopyCAD 中控制好特征線誤差，就可簡便地得到誤差很小的曲面（圖5）.

??? 造型中遇到最沮喪的事莫過于費了好大力氣造出的曲面根本不光順. 筆者的心得是：某些導(dǎo)入的曲線由于本身的原因，或在導(dǎo)入過程中數(shù)據(jù)丟失造成不光順，這時可用樣條曲線工具，利用端點、最近點在原曲線上捕點重新繪制. 這也是我為什么強(qiáng)調(diào)在CopyCAD 中要取得足夠特征線的原因（少了不好補(bǔ)，多了可刪除）. 捕點的數(shù)量及位置需通過經(jīng)驗判定，前提是保證光順及誤差小. 若要檢驗曲面的光順程度，可將曲面存成*. igs 文件，再在Pro / E 中進(jìn)行著色曲率分析（圖6）.

6 數(shù)控加工

??? CAXA 能直接對曲面進(jìn)行虛擬數(shù)控加工. 先單擊主菜單“應(yīng)用”中子菜單“軌跡生成”，選擇合適的加工方式、加工參數(shù)、刀具、切削用量、進(jìn)退刀方式，生成加工軌跡（ 圖7）；再單擊子菜單“ 軌跡編輯”，進(jìn)行刀位裁剪、反向、插入、刪除等處理及軌跡的打斷、連接、參數(shù)修改等編輯. 最后單擊子菜單“ 軌跡仿真”，進(jìn)行仿真加工（圖8），觀察滿意后再單擊子菜單“后置處理”，生成、校核G 代碼及生成工序單，經(jīng)手工修改、調(diào)試、檢驗送至電火花線切割機(jī)或加工中心加工.

7 結(jié)束語

??? 用CAXA 作逆向工程曲面重構(gòu)時，總體覺得比較簡便、好用. 除與Pro / E 一樣具有曲面造型功能強(qiáng)大的特點外，還具有以下明顯優(yōu)勢.

??? 首先，CopyCAD 軟件導(dǎo)出的特征曲線，Pro / E 認(rèn)為是一個整體，不能直接對其中線條進(jìn)行獨立的編輯. 而且只認(rèn)可曲線的起點或終點，其余點則一概不識，給繪制自由曲線、創(chuàng)建自由曲面帶來不便.CAXA 認(rèn)為導(dǎo)入的每條曲線是一個獨立的對象，可直接進(jìn)行各種編輯，而且認(rèn)可曲線上的所有點.

??? 其二，Pro / E 除繪制自由曲線、創(chuàng)建自由曲面不需創(chuàng)建草圖，其余的曲面造型都得按部就班，先作草圖平面、參考基準(zhǔn)，再創(chuàng)建草圖，最后才能生成曲面，過程煩瑣，對空間概念要求很高. CAXA 作面，無須草圖，特別是可直接利用導(dǎo)入的特征曲線重構(gòu)曲面，并進(jìn)行模擬數(shù)控加工.

??? 美中不足的是，在CAXA 中，渲染的曲面顏色單調(diào)、干澀，缺乏對曲面光順、誤差等分析模塊. 另外，其自動生成的NC 程序需手工大量修改、調(diào)試后方能使用.

參考文獻(xiàn)：

??? ［1］鄭 飛. 基于全景圖像的快速體元造型［ J］. 機(jī)械工程學(xué)報，1999，4，21 - 24.? ［2］胡國軍，錢榮芳，等. 基于逆向工程的數(shù)字化技術(shù)研究?? ［J］. 機(jī)床與液壓，2004，5，86 - 87.