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| 基于Pro/ENGINEER的淋浴喷头逆向造型设计 |
| 孟少明 陈晨 |
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模具逆向工程技术是利用计算机辅助测量技术与CAD/CAM技术，实现实物扫描—几何建模—曲面加工的一体化，通过利用散乱的扫描数据重构曲面的三维模型，这是逆向技术的一个研究热点。本文以一个常见的工业产淋浴喷头为例，对其进行数据采集、数据分析处理和模型重构，最后实现淋浴喷头三维模型的设计。
一、逆向工程设计
逆向工程也称“反求工程”，是指用一定的测量手段对实物或模型进行立体扫描测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的立体模型，从而实现产品设计或制造的过程。图1所示为制作塑料产品模具的逆向设计流程图：针对现有样品或模型(图2)，利用3D数字化测量方法准确、快速地量取工件的表面点云数据或轮廓线条，并加以曲面的创建、编辑和修改后，传送至CAD/CAM系统，再将CAM系统生成的NC加工刀具路径传送至CNC加工出所需的模具。 （图片）
图1 塑料模具逆向设计流程图
二、逆向工程系统的组成
从塑料产品模具逆向设计流程图可以看出，逆向工程首先必须使用精密的测量系统将样品的三维轮廓尺寸快速地测量出来，然后依据得到的数据创建曲面及进行加工。故建立一套完整的逆向工程系统，需要下列基本配置：立体扫描仪;点群数据处理软件，即逆向工程软件;CAD/CAM/CAE软件;CNC机床;快速成型机或其他成型设备。（图片）
图2 淋浴喷头实物
三、数据的获取及处理
由于淋浴喷头有对称性，测量数据及构建的三维图形只取一半即可。首先把实物放到激光扫描仪里，找一个比较容易测量的基准面作定位面，设置相应参数，点击“扫描”选项，激光扫描仪就能自动记录下所获取的曲面点云数据并保存在计算机里。在扫描时测量点距越小，所获得的点云数据就越逼近于所测量的实物表面，但相应地扫描时间也就越长。点距大小主要取决于仪器的精度及实物所要达到的要求。激光扫描仪可以达到最小精度为0.05mm的间距，完全能达到一般模具设计的要求。
在测量时，由于激光扫描仪存在着扫描“死点”，或因零件形状复杂而有一部分曲面数据无法一次性扫描得到，这就需要移动或旋转零件来获得完整的数据，然后以SEC格式输出。输出的点云经过Surfacer命令，利用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的点信息将点阵准确对齐。扫描后的点云数据如图3所示。然后对离散点云数据进行过滤处理，借助对点阵进行判断，去除噪声点(即测量误差点)。
首先选择“Point”→“Extract Point”→“Circle”→“SelectPoints”命令对点云数据进行优化，删除一些不必要的数据点。合成及处理后的点云要以IGS格式输出到Pro/ENGINEER中进行光顺处理及造型设计。（图片）
图3 扫描后的淋浴喷头点云数据
四、基于Pro/ENGINEER的样件曲面构建
1.输入原始数据
根据扫描点的稀疏程度和点文件格式的不同，扫描点数据可分为高密度数据和低密度数据。
利用软件扫描工具中的独立几何命令，可从原始数据中创建期望的形状。在扫描工具环境中，输入原始数据的方法是：选择“插入”→“独立几何”，然后再选择“几何”→“示例数据来自文件”，可输入高密度或低密度的数据。在输入高密度数据或点云时，可用不同的过滤技术来消除不需要的数据点，创建以后可用于建立型曲线的扫描曲线，如图4所示。
2.淋浴喷头逆向造型过程
(1)草绘淋浴喷头半边轮廓线，单击按钮，绘制淋浴喷头四周和分中轮廓线，如图5所示。
(2)拉伸分型面，草绘、投影分中轮廓线，如图6所示。
(3)草绘五条直线，在五根草绘线上新建五个辅助平面，选择“插入”→“重新造型”，单击(平面与小平面相交)命令。分别选择5个辅助平面，结果如图7所示。（图片）
图5 淋浴喷头轮廓草绘图 （图片）
图7 重新造型获得的截面图 (4)单击造型命令，选择设置活动基准平面命令，选择创建曲线命令，绘制如图8所示截面图。重复5次，分别绘制出五个辅助平面的截面图。完成图如9所示。（图片）
单击(从边界曲面创建曲面)命令，选择上半部分曲线轮廓。获得曲面如图10所示。再次单击命令，选择下半部分曲线轮廓，完成曲面图如图11所示。（图片）
(5)填充侧面、底面和端面，然后把三个平面和曲面合并，再实体化。结果如图12所示。
(6)参照点云位置，在淋浴喷头侧面拉伸一小平面，如图13所示。（图片）
(7)选择“插入”→“类型”，在小平面的台阶上顺接一圆弧面，然后实体化，如图14所示。
(8)选择“抽壳”→“复制”→“镜像”→“实体化”，结果如图15所示。
(9)选择“插入”→“扫描”→“伸出项”，然后阵列，完成图如图16所示。
五、结语
本文将立体扫描仪、Imageware软件的数据处理和Pro/ENGINEER软件的造型功能相结合，比较容易地对复杂产品进行数字化逆向工程设计。避免了传统模拟式复制方式无法建立工件图文件和无法修改设计的缺陷，实现了产品的再设计。同时为模具型腔的设计提供了三维模型，缩短了产品设计和开发周期，对保证新品迅速上市很有帮助。
3/12/2012
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