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基于Geomagic的复杂曲面的逆向设计及NC仿真加工

点击:600  更新时间:2017-09-04 17:42  【打印此页】

  随着计算机技术在制造领域的广泛应用,基于数据测量的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字化测量设备(如坐标测量机、激光测量设备等)获取物体表面的空间数据,经过逆向工程技术的处理获得产品的数字模型,进而输送到CAM系统完成产品的制造。逆向工程已经作为一种先进的设计方法被引入到新产品的设计开发工作中,以避开艰苦的原型设计阶段,是一个对产品进行再设计的阶段。

一、曲面的三坐标测量
  在逆向工程技术中,获得重构CAD模型的离散数据,即数字化技术是关键的一步。只有获得正确的测量数据,才能进行误差分析和曲面比较,实现CAD建模。数据的采集是指采用某种测量方法和设备测出实物各表面的若干组点的几何坐标,可以有多种方式进行数据采集。
  传统方法就是以三坐标测量机(CMM )为代表的接触式,也是实际工程中常用的方式,精度相对精确,但易于损伤测头和划伤被测零件的表面。非接触式自动测量模式是不与工件表面接触而自动测量表面的一种测量模式。采用光电法的非接触式测量方法的特点是测量过程中测头不接触被测表面,避免了接触式测量中测头或被测表面的损伤和测头半径的补偿测量速度快、自动化程度高,适用于各种软、硬材料的各种复杂曲面模型的三维高速测量。
 
二、基于Geomagic的复杂曲面的模型重建
  Geomagic Studio(现名Wrap)是由美国3D Systems公司研发的扫描数据处理软件, 它以先进的数学模型、曲面构造理论为基础, 可从扫描所得的点云数据创建出多边形模型和网格,并可自动转换为NURBS曲面。Geomagic Studio提供了直接点构面的全新的构面方式, 改变了传统的点→线→面的构面方式。
 
下面以小猫曲面点云(图1)的CAD重建为例,来说明Geomagic的处理过程。Geomagic软件的一般工作流程主要包括以下3 个阶段:
 
(1) 点阶段(Point Phase)。
  这个阶段为点云数据的预处理阶段。利用点云处理功能如降噪特性以及编辑和过滤工具,实现点云到多边形阶段的过渡,实现小猫数字模型的优化。处理完成后, 即可进入多边形阶段, 数据格式也由离散数据点转换为多边形格式(图2)。

图1 小猫曲面点云数
图2 多边形阶段

(2) 多边形阶段(Polygon Phase)。
  这一阶段主要是对多边形网格数据进行表面光顺与优化处理, 以提高后续的曲面重建质量。利用多边形编辑(polygon editing)、基于曲率的孔填充(curvature hole filling)、光顺(relax)、边界修补(boundary repair)、特征构建(feature creation) 等多边形几何再造功能实现小猫曲面因为扫描而出现的缺憾。
 
(3) 成形阶段(Shape Phase)。
  其过程包括首先利用Detect Curvature功能根据计算的曲率结果找出多边形数据中的特征线(ContourLine)。在特征曲线的基础上,利用Construct Patches功能在多边形数据上自动生成四边形网格(图3)。
  自动生成的四边形网格往往呈现不规则的网状,利用网格编辑功能将其排成比较规则的网格面。然后利用Construct Grid功能为每一个网格内建立UV参数线,最后使用Fit Surface功能为每一个四边形网格自动生成连续的曲面片(图4)。
  这个阶段主要完成数据分块与曲面构造功能。造型完成后, 软件还可以对曲面进行整体的光顺、合并以及误差分析等操作, 同时输出IGES输出格式, 与CAD/CAM/CAE软件进行数据交换。
 
图3 特征线及四边形网格
图4 完成小猫的NURBS曲面

三、复杂曲面的NC仿真加工
  通过CAD模型的重建技术,用户可在计算机上生成所需的各种复杂曲面,通过已有的CAD/CAM软件系统,可自动编制复杂曲面的数控加工程序。通过与计算机网络连接的数控机床,进而在数控机床上准确地加工出相应的零件或模具。加工复杂型面一般采用球头铣刀数控铣削,程序给出的加工轨迹是刀头球心的运动轨迹。
  曲面加工选择CAM软件进行。将在Geomagic生成的小猫曲面导入CAM软件中进行NC模拟仿真[3]。小猫曲面的数控加工为凸面加工。在“CAM”环境下,利用“加工管理”模块中的“模型、“毛坯”“起始点”、“机床后置”、“刀具库”、“刀具轨迹”等功能,进行小猫曲面加工编程过程中的一些例如坐标系、刀具的建立、模型、毛坯和进退刀等公用选项的创建。实现小猫曲面的NC模拟仿真。其粗加工过程如图5所示,精加工过程如图6所示。
 
图5 粗加工过程 
图6 精加工过程

四、结束语
  逆向工程中的CAD 建模技术已广泛应用于产品设计、零件修复、动画以及数字媒体等诸多领域, 在数据获取与处理、曲面拟合、商用专业软件等方面的研究开发上也已取得了很大进展。基于逆向工程技术,在计算机网络和CAD/CAM集成技术的支持下进行复杂曲面重构,缩短了产品的开发周期,提高了产品开发质量、增加产品的技术含量并降低产品的开发成本,有效地解决了其产品特别是形状复杂的曲面的最终设计问题, 实现了从产品设计到加工整个过程信息流流畅快捷的目标,增强了经济竞争力。

 
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