現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期要求越來越短，產(chǎn)品需求出現(xiàn)小批量、多品種和個(gè)性化的特點(diǎn)。為了適應(yīng)市場(chǎng)快速多變的情況，產(chǎn)品的開發(fā)較少采用全新設(shè)計(jì)，而借鑒已有產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)則是快捷、實(shí)用的方法。逆向工程，亦稱反求工程，它可以建立數(shù)字化技術(shù)文檔，便于保存、修改和再設(shè)計(jì)，還可以還原和修補(bǔ)零件的損壞和磨損，重建產(chǎn)品實(shí)物的CAD模型以檢測(cè)制造誤差等，在汽車、航天、制鞋、模具和消費(fèi)性電子產(chǎn)品等制造行業(yè)，甚至在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域逆向工程都有廣泛應(yīng)用。目前有四大應(yīng)用比較廣泛而相對(duì)專業(yè)的逆向工程軟件：Imageware、Geomagic Studio、CopyCAD、RapidForm。一些CAD/CAM集成軟件也開發(fā)了逆向工程的模塊，集點(diǎn)云處理和三維造型于一體，Pro/E的逆向技術(shù)模塊就是其中一種。

    Pro/SCAN-TOOLS模塊是逆向工程的模塊之一，利用它可專注于模型的特定區(qū)域，并使用各種工具獲得所需形狀曲面屬性。小平面特征是Pro/E中一個(gè)主要的點(diǎn)云處理工具，密集點(diǎn)云可以在小平面特征中經(jīng)過去雜、降噪和取樣、補(bǔ)孔和清理等步驟的處理，最后生成適合用于下一步造型參考的小平面。重新造型是一個(gè)逆向工程環(huán)境，可用于在多面數(shù)據(jù)或三角形化數(shù)據(jù)的頂部重建曲面CAD模型。

    仿真軟件MasterCAM是目前應(yīng)用最廣泛的CAD/CAM軟件之一，可以滿足一般產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)和數(shù)控加工自動(dòng)編程。用其仿真實(shí)體的加工過程及結(jié)果，對(duì)于驗(yàn)證反求模型的精確性和可加工性，有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 鞋楦的數(shù)字化

    鞋楦是制鞋的重要模具，我國(guó)有些制鞋企業(yè)還是采用手工制作樣楦和簡(jiǎn)單的拷模加工方式，制楦周期長(zhǎng)、質(zhì)量差。

    將CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用于鞋楦設(shè)計(jì)制造中，將大大改變傳統(tǒng)的鞋楦設(shè)計(jì)制造方式，縮短鞋楦生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，顯著縮短鞋楦設(shè)計(jì)開發(fā)周期，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

    通過接觸式或非接觸式測(cè)量手段，如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光掃描儀等，采集鞋楦實(shí)體數(shù)據(jù)，可以完成鞋楦的數(shù)字化。鞋楦數(shù)字化后，可進(jìn)行反求和模型重構(gòu)，數(shù)字化的鞋楦模型便于再設(shè)計(jì)和再制造，不但可以提高生產(chǎn)效率，及時(shí)響應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)需求，同時(shí)也保存了鞋楦數(shù)字檔案，便于保存、交流和網(wǎng)絡(luò)化制造；對(duì)模型進(jìn)行數(shù)控加工自動(dòng)編程，在實(shí)際加工前做虛擬仿真加工，可以節(jié)約上機(jī)加工時(shí)間和材料，驗(yàn)證鞋楦加工的可行性。

    本文將以鞋楦為例，運(yùn)用Pro/E逆向技術(shù)中的小平面建模方法處理鞋楦點(diǎn)云并完成模型重構(gòu)；再運(yùn)用MasterCAM V9.O軟件的四軸加工功能進(jìn)行仿真加工。

2 Pro/E點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及建模

    本文是重慶市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目研究中的一部分，使用的鞋楦點(diǎn)云數(shù)據(jù)來自先前的研究成果“鞋楦檢測(cè)及集成化制造系統(tǒng)的研究”。

    2.1 導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)點(diǎn)集

    由于原始數(shù)據(jù)為文本文件，而Pro/E只能打開.igs、.ibl、.vda或.pts文件，因此，將原.txt文件編輯修改為.ibl格式文件，修改后的部分原文件如下：

    2.2 小平面建模

    小平面建模包括輸入通過掃描對(duì)象獲得的點(diǎn)集，糾正由于所用設(shè)備局限性而導(dǎo)致的點(diǎn)集幾何中的錯(cuò)誤，創(chuàng)建包絡(luò)并糾正錯(cuò)誤，創(chuàng)建多面幾何并用多種命令編輯該幾何，以精調(diào)完善多面曲面。

    進(jìn)入Pro/E界面，設(shè)置好工作目錄，新建零件，“插入”菜單中選擇“小平面特征”，打開數(shù)據(jù).ibl文件，選擇坐標(biāo)和單位(mm)，即得鞋楦點(diǎn)云原始模型如圖1所示。

    圖1 鞋楦點(diǎn)云原始模型

    由圖1可見，鞋楦的頭尾有多余的部分不屬于鞋楦模型，使用點(diǎn)處理工具刪除該部分點(diǎn)云；再對(duì)整個(gè)點(diǎn)云進(jìn)行降噪處理：其中，自由生成模式適用于點(diǎn)云為自由形狀或有機(jī)形狀，相對(duì)于曲面曲率降低噪聲；機(jī)械模式適用于機(jī)械形狀或棱柱形狀，會(huì)保留尖角和銳邊，此處，選用前者。降噪后的包絡(luò)會(huì)更光滑，并且反向的三角形數(shù)目大為減少。點(diǎn)云數(shù)目越多越有利于描述鞋楦的細(xì)節(jié)，但計(jì)算時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)，點(diǎn)云數(shù)目太少，又會(huì)導(dǎo)致細(xì)節(jié)丟失，所以使用工具欄中的“示例”功能，“按曲率抽樣”，根據(jù)曲率大小來決定樣點(diǎn)的多少，最終得到點(diǎn)云處理后鞋楦模型，如圖2所示。

    圖2 點(diǎn)云處理后鞋楦模型

    對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行必要的處理后，再進(jìn)行包絡(luò)，并生成小平面。這一階段要完成凹陷部分的填充、粗調(diào)和精調(diào)等。由于點(diǎn)云測(cè)量不可避免會(huì)有點(diǎn)云缺失，在包絡(luò)并生成小平面后會(huì)形成多余的三角平面和孔洞，因此需要手動(dòng)刪除不需要的小平面，減少三角形的數(shù)量而不損壞曲面的連續(xù)性和細(xì)節(jié)。利用填充工具，填充在掃描過程中引入的孔，尤其是鞋楦尾部和頭部下表面測(cè)量數(shù)據(jù)丟失造成的孔洞。對(duì)于孔洞的填充，可以采用添加小平面命令，選取三個(gè)頂點(diǎn)便可生成一個(gè)三角形小平面。孔洞較大的部分在填充后，表面曲率很不理想，與實(shí)物的曲面屬性相差較大，因此一定要進(jìn)行精整，以光順填充曲面。精整是通過增大小平面的密度和有選擇地移動(dòng)小平面的頂點(diǎn)來改善小平面模型的形狀，可選擇要精整的區(qū)域也可對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行精整操作。該命令會(huì)使選定區(qū)域更細(xì)節(jié)化，更平滑。另外，松弛命令是以迭代方式改變小平面頂點(diǎn)的坐標(biāo)，從而平滑多面曲面，迭代次數(shù)越多，曲面就越平滑，但若迭代次數(shù)太多會(huì)改變?cè)紥呙钄?shù)據(jù)。精整和松弛命令使得模型變得更加平滑，但卻會(huì)引入更多的小平面，因此，可采用分樣命令減少小平面數(shù)量，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，達(dá)到較優(yōu)的模型精度和小平面數(shù)量。

    包絡(luò)和小平面都是由三角面組成，而實(shí)際區(qū)別在于：包絡(luò)階段包含了所有原始點(diǎn)云的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，雖然沒有點(diǎn)云顯示但系統(tǒng)內(nèi)部保存了這些點(diǎn)云的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；而小平面階段就會(huì)把原始點(diǎn)云刪掉，圖3所示為小平面模型。

    圖3 小平面模型

 2.3 重新造型

    重新造型是一個(gè)逆向工程環(huán)境，可用于在多面數(shù)據(jù)或三角形化數(shù)據(jù)的頂部重建曲面CAD模型。在小平面特征的基礎(chǔ)上進(jìn)入重新造型環(huán)境，通過分析曲面，可首先構(gòu)建較簡(jiǎn)單、較大的曲面，使用曲線工具創(chuàng)建曲線、進(jìn)而構(gòu)建曲面；再使用區(qū)域?qū)ΜF(xiàn)有曲面進(jìn)行擬合，進(jìn)行偏差檢測(cè)，修改不合格的曲線和曲面。

    本文采用一種便捷的操作方法，首先建立一系列的基準(zhǔn)平面，如圖4所示，然后使用“在平面與小平面特征的相交處插入曲線”的功能：點(diǎn)選各基準(zhǔn)面，則自動(dòng)快速生成一系列曲線，如圖5所示，該曲線可生成鞋楦曲面模型，但有兩點(diǎn)需要注意：一是有的曲線可能不連續(xù)，在創(chuàng)建曲面時(shí)可根據(jù)需要，將曲線連接或切斷；二是該鞋楦的頭部和根部曲線變化較大，需構(gòu)造較密集的曲線，保證在反映實(shí)體模型的前提下，用盡量少的曲線進(jìn)行曲面的生成。曲面生成后再進(jìn)行光順擬合等高級(jí)處理，即可得鞋楦的實(shí)體模型，如圖6所示。將該零件另存為iges格式，注意在保存時(shí)選擇保存為實(shí)體(solid)選項(xiàng)，以便MasterCAM仿真加工。

    圖4 創(chuàng)建一系列基準(zhǔn)平面

    圖5 生成一系列構(gòu)建曲面的曲線

    圖6 鞋楦實(shí)體模型

3 MasterCAM四軸仿真加工

    四軸加工可以加工具有回轉(zhuǎn)軸的零件或沿某一軸四周需要加工的零件。CNC機(jī)床中的第四軸可以是繞X、Y或Z軸旋轉(zhuǎn)的任意一個(gè)軸，通常用A、B或C表示，該軸的具體選擇根據(jù)機(jī)床的配置決定。MasterCAMV9.0在V8.O提供了繞X軸、Y軸產(chǎn)生刀具路徑的功能的基礎(chǔ)上，增加了繞Z軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生刀具路徑的功能。而本文中涉及到的是繞X軸的旋轉(zhuǎn)加工。

    3.1 導(dǎo)入iges格式的鞋楦模型

    首先導(dǎo)入鞋楦模型，由于該模型不是在MasterCAM中創(chuàng)建的模型，因此，坐標(biāo)系需進(jìn)行變換，使得加工和測(cè)量時(shí)的坐標(biāo)系相符：鞋楦長(zhǎng)度方向?yàn)閄軸，鞋楦高度方向?yàn)閆軸，由右手定則可知Y軸方向，第四軸為繞X軸的旋轉(zhuǎn)軸A軸。由于加工所用毛坯為圓柱體，為節(jié)省毛坯減少材料的浪費(fèi)，因此，將坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)在鞋楦高度的中心處；此外，一定要鎖定中心點(diǎn)，包括軸心的定位和工件的定位，否則將導(dǎo)致零件的過切和加工失敗。鎖定中心點(diǎn)的具體操作步驟如下。

    1)開啟檔案、刀具路徑、工作設(shè)定和邊界盒（勾選直線，所有圖素），按確定鍵，出現(xiàn)如圖7所示的邊界框，繪出圖8中的兩條相交線，平移所有圖素（構(gòu)圖面須選3D），第1點(diǎn)選擇所做相交線的交叉點(diǎn)，第2點(diǎn)選擇原點(diǎn)（可在操作菜單中選取Original即為原點(diǎn)坐標(biāo)），移動(dòng)工件中心，完成。

    圖7 邊界框

    2)移動(dòng)四軸原點(diǎn)，做刀具路徑時(shí)選擇圖8所示相交線的交點(diǎn)（即上部操作后的坐標(biāo)系原點(diǎn)）為四軸中心點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)四軸刀具參數(shù)設(shè)定中必須勾選使用中心點(diǎn)，完成動(dòng)作。

    圖8 軸心定位

    導(dǎo)入轉(zhuǎn)換后的鞋楦模型，完成粗加工、半精加工和精加工刀具路徑。

 3.2 四軸粗加工刀具路徑的生成

    選擇軸測(cè)圖，打開主菜單、刀具路徑、多軸加工、帶旋轉(zhuǎn)軸四軸加工和加工所有曲面，完成。然后，進(jìn)行刀具選擇：直徑為φ20mm球銑刀；多軸參數(shù)設(shè)置：加工表面殘留余量設(shè)置為5mm；旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置：x軸為旋轉(zhuǎn)軸和帶旋轉(zhuǎn)軸四軸加工參數(shù)設(shè)置，且一定要勾選Rotary 4ax paramaters中的Use center point選項(xiàng)保證加工中心，選擇原點(diǎn)，生成加工路徑，參數(shù)設(shè)置如圖9所示。

    圖9 刀具路徑各參數(shù)設(shè)置

    為了保證加工精度需要再做一次半精加工，可直接復(fù)制已生成的刀具路徑，然后修改各項(xiàng)參數(shù)及設(shè)置。半精加工修改的參數(shù)為：加工余量由5.0mm變?yōu)?.0mm，其他設(shè)置同粗加工，然后重新生成半精加工刀具路徑，則兩個(gè)粗加工路徑生成成功。

    3.3 四軸精加工刀具路徑的生成

    四軸精加工刀具路徑的生成方法與四軸粗加工刀具路徑的生成方法相同，均采用帶旋轉(zhuǎn)軸四軸加工方法，只是切削參數(shù)有所不同，因此，也可以用生成粗加工路徑的方法生成四軸精加工刀具路徑，為保證加工精度和質(zhì)量，其不同點(diǎn)為：1）選擇直徑為φ10mm的球銑刀；2）多軸參數(shù)設(shè)置：加工余量設(shè)置為0；3）修改切削用量。

    仿真加工的路徑及結(jié)果如圖10所示。

    圖10 仿真加工路徑和結(jié)果

    加工結(jié)果表明工件未出現(xiàn)過切或欠切，加工所得工件符合反求得到的模型，可見該加工過程是準(zhǔn)確可行的。由仿真過程可知，刀具和切削參數(shù)對(duì)加工效率的影響為：刀具半徑越大，步距越大，那么精度越低，加工效率越高；反之，則效率較低，但加工精度較高。具體加工參數(shù)由實(shí)際加工要求和加工經(jīng)驗(yàn)決定，并可在該仿真軟件中驗(yàn)證其效率及準(zhǔn)確性，NC程序也可在參數(shù)設(shè)置和后處理中得到優(yōu)化，可使實(shí)際生產(chǎn)達(dá)到較高的效率和精度。

4 結(jié)語

    本文對(duì)鞋楦數(shù)字化后的點(diǎn)云進(jìn)行處理和三維反求，還原鞋楦實(shí)體模型，并基于MasterCAM軟件的四軸加工功能對(duì)鞋楦進(jìn)行仿真加工。本文研究的意義在于運(yùn)用逆向工程原理，用小平面建模的方法實(shí)現(xiàn)了鞋楦的數(shù)字化模型再生，為鞋楦改進(jìn)設(shè)計(jì)、再制造和網(wǎng)絡(luò)化制造提供支持；仿真加工為生產(chǎn)節(jié)約了材料和時(shí)間，驗(yàn)證了加工的可行性。