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柳芴2008年第12期總第35卷 產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計 ·63· 基于PRO／E軟件的逆向工程產(chǎn)品設(shè)計 尹青松 (深圳創(chuàng)維集團(tuán)研究院。廣東深圳518106) 囊要：逆向工程產(chǎn)品設(shè)計是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品實物模型，反向推出產(chǎn)品設(shè)計敦?fù)?jù)(包括設(shè)計圖紙或數(shù)字模型)的過程。 在逆向工程產(chǎn)品設(shè)計過程中，實抽的CAD模型重建是逆向工程的關(guān)鍵部分，而PTC公司的Pro／E_NGrNEER是在機(jī)械設(shè) 計領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的三維自動化模型設(shè)計軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)建模功能。簡要介紹了逆向工程技術(shù)的概念、系統(tǒng)構(gòu)成 及應(yīng)用范圍．以一欺電話聽筒的逆向設(shè)計為實例，詳細(xì)介紹了在PRO／E軟件中利用實物模型測量數(shù)據(jù)文件進(jìn)行逆向設(shè) 計的方法和步康。 關(guān)鍵訶：逆向工程；PRO／E；產(chǎn)品設(shè)計 中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)栝識碼：A 文章編號：1006—0316(2008)12—0063—03 The reverse engineering products designing based on PRO／E YIN Qing—song (The R&D Academy of Shenzhen SKYWORTH Group，Shenzhen 518106，China) Abstract：The Reverse Engineering Products Designing is the process ofreversely working out the products designing statistics (Include design drawings or digital models)，according to the real product models．In the process ofreverse engineering producm designing，the reconstruction ofCAD model for the real product is the key．Pro／ENGINEER is a 3D automatic models designing software from the company PTC，which is powerful in building digital models and widely used in Mechanical Designing field． In this paper，it simply tells the concept，system structure and application scope of Reverse Engineering，but it tells the tips and steps ofhow to design products in detail，according to the data files measured by Pro／E with real product models． Key words：reverse engineering；PRO／E；products designing 1逆向工程的應(yīng)用范圍及結(jié)構(gòu)體系 在工業(yè)領(lǐng)域，往往會碰到根據(jù)模型或?qū)嵨飦順?gòu) 建其三維數(shù)字模型的需求。這就用到了逆向工程技 術(shù)，逆向工程(Reverse Engineering)也稱反求工程， 是指用一定的測量手段對實物或模型進(jìn)行測量即數(shù) 字化采樣，然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方 法重建實物的CAD數(shù)字模型，從而實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計與 制造的過程。 逆向工程在工業(yè)制造領(lǐng)域的實際應(yīng)用主要包括 以下幾個方面： (1)對產(chǎn)品外形美學(xué)有特別要求的領(lǐng)域，由于 設(shè)計師習(xí)慣于依賴3D實物模型對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行評 估，因此產(chǎn)品幾何外形通常不是應(yīng)用CAD軟件直接 設(shè)計的，而是首先制作全尺寸的木質(zhì)或粘土模型， 然后利用逆向工程技術(shù)重建產(chǎn)品數(shù)字化模型； (2)當(dāng)設(shè)計需經(jīng)實驗才能定型的工件模型時， 通常采用逆向工程的方法； (3)損壞或磨損零件的還原，以便修復(fù)或重制； (4)產(chǎn)品的檢測，例如檢測分析產(chǎn)品的變形， 檢測焊接質(zhì)量等，以及對加工產(chǎn)品與三維數(shù)字化模 型之間的誤差進(jìn)行分析。在制造業(yè)中，逆向工程已 成為消化吸收新技術(shù)和二次開發(fā)的重要途徑之一。 作為改進(jìn)設(shè)計的一種重要手段，它有效地加快了新 產(chǎn)品響應(yīng)市場的速度。同時，逆向工程也為快速原 型提供了很好的技術(shù)支持，成為制造業(yè)信息傳遞重 要而簡潔的途徑之一。 逆向工程系統(tǒng)主要由三部分組成：產(chǎn)品實物幾 何外形的數(shù)字化、CAD模型重建、產(chǎn)品或模具制造。 逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模 收稿日期：2008—07—30 作者簡介：尹青松(1982一)，四川岳池人．工程師．主要研究方向為計算機(jī)輔助設(shè)計與制造。萬方數(shù)據(jù) ·64· 產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計 祝旃2008年第12期總第35卷 型的重建。 (1)數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集是逆向工程的第一步，其方法的得當(dāng) 直接影響到是否能準(zhǔn)確、快速、完整地獲取實物的 二維、三維幾何數(shù)據(jù)，影響到重構(gòu)的CAD實體模型 的質(zhì)量，并最終影響產(chǎn)品的質(zhì)量。 ．(2)數(shù)據(jù)處理 對于獲取的一系列點數(shù)據(jù)在進(jìn)行CAD模型重 建前，必須進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、噪聲濾除、平滑、對齊、 歸并、測頭半徑補償和插值補點等處理。 (3)模型重建 將處理過的測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD系統(tǒng)，依據(jù)前面 創(chuàng)建的曲線、曲面構(gòu)建出原型的CAD模型。 2在PRO／E軟件中的模型重建 2．1導(dǎo)入測量數(shù)據(jù)文件 。在PRO／E軟件(下文中的操作步驟適用于 PR0／E2001版本)中新建一個Part文件，在主界面 點擊菜單Insert．Date from File…，選擇電話聽筒的 數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入PRO／E中，如圖1所示。 2．2根據(jù)數(shù)據(jù)文件建立輪廓曲線 因為電話聽筒從結(jié)構(gòu)上應(yīng)為上下殼組裝而成， 而通常外觀模型做成一個整體，測繪出的數(shù)據(jù)文件 也為完整的電話聽筒外形。分析導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件， 找出電話聽筒上下殼的分型面，利用PRO／E中的拉 伸曲面功能Feature．Create—Surface．New．Exturde繪 制分型面，利用曲線繪制的Sketch、Projected命令 繪制出電話聽筒的外形輪廓曲線。在此步先繪制上 殼部分輪廓曲線，如圖2所示，圖中曲面為分型面， 暗黃色曲線為輪廓曲線。 圖l導(dǎo)入聽筒數(shù)據(jù)文件 圖2外形輪廓曲線創(chuàng)建 2．3繪制基準(zhǔn)點 在PRO／E中常用的繪圖步驟為建立點一線一曲 面一實體。利用已經(jīng)建立的輪廓曲線和導(dǎo)入的數(shù)據(jù) 曲線，繪制電話聽筒的外形曲線。首先在輪廓曲線 上繪制基準(zhǔn)點，常用的方法為繪制多個基準(zhǔn)平面將 導(dǎo)入的數(shù)據(jù)曲線分隔成若干段，以保證能截取主要 的外形曲線。為減少繪圖特征，一般繪制轉(zhuǎn)折拉伸 曲面來代替基準(zhǔn)平面的作用。利用PRO／E中的點繪 制命令CurveXSrf(曲線和曲面的交點)，獲得轉(zhuǎn) 折拉伸曲面與輪廓曲線的交點，作為后續(xù)繪制外形 曲線的基準(zhǔn)點。如圖3所示。 2．4曲線重建 以繪制的拉伸平面作為繪圖基準(zhǔn)面，以輪廓曲 線上的點為基準(zhǔn)點，參考導(dǎo)入的數(shù)據(jù)曲線外形，利 用PRO／E的曲線繪制命令Sketch繪制聽筒的外形曲 線。如圖4所示。 圖3基準(zhǔn)點創(chuàng)建 圖4基準(zhǔn)曲線創(chuàng)建 在曲線繪制時需要注意的是并非要完成忠實于 導(dǎo)入的數(shù)據(jù)曲線，數(shù)據(jù)曲線只是提供參考作用，設(shè) 計者更多需要留意的是曲線的質(zhì)量，以及曲線對后 續(xù)構(gòu)建的曲面質(zhì)量的影響。 2．5曲面重建 利用已經(jīng)繪制好的輪廓曲線和外形曲線，應(yīng)用 PRO／E中最常用的Boundaries邊界曲面繪制功能 Feature-Create．Surface．New．Advanced．Boundaries．Bl ended surf繪制聽筒的外形曲面。在利用Boundaries 曲面繪制上部的曲面時，需要對上部中心的輪廓線 邊界定義(Bndry conds)為法向(Normal)于繪圖 平面(Sketching plane)，以保證曲面鏡像(Mirror) 后的順滑。繪制得如圖5所示曲面。 按2．2、2．3和2．4所介紹的方法繪制聽筒下半 部分輪廓曲線、基準(zhǔn)點和基準(zhǔn)曲線，然后應(yīng)用PRO／E 中的 Boundaries邊界曲面繪制功能 Feature·Create—Surface-New—Advanced．Boundaries．Bl ended surf繪制聽筒的下半部分外形曲面，聽筒靠耳 部位運用旋轉(zhuǎn)曲面功能Create．Surface—New—Revolve 繪制完成。合并所繪制的曲面Create．Surface．Merge。 在已完成的曲面上倒圓角修飾Feature—Create．Solid． 萬方數(shù)據(jù) 猊拼2008年第12期總第35卷 產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計 ·65· Round。完成如圖6所示曲面。 圖5局部曲面創(chuàng)建 圖6曲面創(chuàng)建 在PRO／E中對于形狀對稱的零件的繪制，通常 先完成零件一半特征的繪制，然后再利用鏡像 (Mirror)命令將繪制好的圖形特征對稱復(fù)制，得到 完整的零件。將繪制完成的曲面以基準(zhǔn)面DTMl為 鏡像基準(zhǔn)面做鏡像拷貝Feature—Create—Surface．Tran． sform—Mirror-Copy。再將鏡像前的曲面和鏡像后的 曲面做合并處理Create．Surface．Merge，這樣就得到 —個完整的電話聽筒外形封閉曲面。如圖7所示。 2．6實體重建 將2．5中所完成的封閉曲面生成實體， Feature．Create—Solid—Protrusion．Use Quilt，選擇封閉 曲面，生成如圖8所示電話聽筒外形實體圖。 以分型曲面為基準(zhǔn)將實體分為上、下2個零件， Feature．Create．Solid—Cut—Extrude，分別另存文件名。 然后再對分解開的2個實體零件做薄殼處理 Feature．Create．Solid．Shell，得到如圖9和圖10所示 的聽筒上下殼體零件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不再做介紹。 圖7整體曲面創(chuàng)建 圖8實體創(chuàng)建 3結(jié)束語 逆向工程是一項具備開拓性、實用性和綜合性 的技術(shù)，利用PRO／E軟件的逆向工程技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品 設(shè)計，可以提高產(chǎn)品設(shè)計的準(zhǔn)確性，縮短產(chǎn)品開發(fā) 周期。隨著各個行業(yè)對產(chǎn)品的快速創(chuàng)新設(shè)計要求的 提高，逆向工程技術(shù)必將得到更廣泛的應(yīng)用。 圖9聽筒上殼 圖lO聽筒下殼 參考文獻(xiàn)： 【l】王宵，等．逆向工程技術(shù)及其應(yīng)用【M】．北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2004． 【2】林清安．PRO／ENGINEER零件設(shè)計(高級篇)tM]．北京：北京大 學(xué)出版社，2000． (上接第45頁) 2結(jié)語 合理、可靠的模具是產(chǎn)品質(zhì)優(yōu)的保證，本文將 先進(jìn)的Moldflow軟件及ANSYS軟件和實際需要相 結(jié)合，用于解決生產(chǎn)中遇到的問題。在計算機(jī)上對 整個注射成型過程進(jìn)行全過程的模擬分析，以便設(shè) 計者能盡早發(fā)現(xiàn)問題，及時修改模具設(shè)計，而不是 等到試模以后再返修模具。這不僅是對傳統(tǒng)模具設(shè) 計方法的一次突破，而且對減少甚至避免模具返修、 提高制品質(zhì)量、降低成本都有著重大的經(jīng)濟(jì)意義。 圖8厚度為45 mm的B板變形 圖9厚度為55衄的口板變形 參考文獻(xiàn)： 【1】肖樣芷，王義林．模具CAD／CAE／CaM[M]．北京：電子工業(yè)出 版社，2004． 【2】范云霄，武迎迎，趙國強(qiáng)。等．基于MPI的塑件澆tl優(yōu)化設(shè)計【J】．模 具工業(yè)，2006．(12)：53—56． [3]張小甫，閻峰云，王翠香，等．Mold．Flow和Plastic Advisor在注塑 成型中的應(yīng)用【J】模具技術(shù)，2004，(2)：14—17． [4]till]．Moldflow模具分析應(yīng)用實例【M】．北京：清華大學(xué)出版社， 2005． 【5】劉來英．注塑成型工藝【M l兒IJ：：機(jī)械工業(yè)出版社，2005． 【6】單巖．Moldflow模具分析技術(shù)基礎(chǔ)[M】．北京：清華大學(xué)出版社． 2004． 萬方數(shù)據(jù) 基于PRO/E軟件的逆向工程產(chǎn)品設(shè)計 作者： 尹青松， YIN Qing-song 作者單位： 深圳創(chuàng)維集團(tuán)研究院,廣東,深圳,518106 刊名： 機(jī)械 英文刊名： MACHINERY 年，卷(期)： 2008，35(12) 被引用次數(shù)： 0次 參考文獻(xiàn)(2條) 1.王宵 逆向工程技術(shù)及其應(yīng)用 2004 2.林清安 PRO/ENGINEER零件設(shè)計(高級篇) 2000 相似文獻(xiàn)(10條) 1.期刊論文 趙福臣.鄭袖.張水車 基于CMM及Pro/E的集成逆向工程系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用研究 -機(jī)械工程師2006(4) 介紹了集成逆向工程(RE)制造技術(shù)的相關(guān)概念、系統(tǒng)組成及其在CAD/CAM領(lǐng)域中的應(yīng)用.以鼠標(biāo)逆向反求為例,采用三坐標(biāo)測量機(jī)(Coordinate measuring machine,CMM)對實物原形進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集,運用Pro/E軟件的逆向功能及造型功能進(jìn)行CAD建模,并利用其CAM功能進(jìn)行零件制造.實踐表明,該 技術(shù)在縮短產(chǎn)品制造周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計中有重要意義. 2.學(xué)位論文 馬軍 基于PRO-E的逆向工程關(guān)鍵技術(shù)研究 2008 隨著市場競爭的日益激烈，如何減少產(chǎn)品的研發(fā)時間、減少研究經(jīng)費已成為現(xiàn)代企業(yè)研究的一個熱點。在工業(yè)領(lǐng)域中，逆向工程受到越來越多的重 視，并且得到了廣泛應(yīng)用。逆向工程是一個從已有實物模型中獲得該產(chǎn)品CAD模型的過程，適合于幾何形狀復(fù)雜、具有多個自由曲面的產(chǎn)品造型設(shè)計。逆 向工程包括以下主要環(huán)節(jié)：數(shù)字化測量、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型重構(gòu)。其中數(shù)字模型重構(gòu)是逆向工程中最重要的研究課題之一。目前NURBS理論發(fā)展較為成熟 ，并且已成為CAD/CAM系統(tǒng)的通用標(biāo)準(zhǔn)。 本文以實物的數(shù)字化模型重構(gòu)為主要研究內(nèi)容，研究和闡述了基于光學(xué)和接觸式測量數(shù)據(jù)的數(shù)字化建模理論和方法。闡述了逆向工程數(shù)據(jù)處理的方 法及其原理，主要內(nèi)容有：多視點云的對齊、點云的濾波和精簡，點云數(shù)據(jù)的分塊以及點云數(shù)據(jù)的修補。研究了曲線曲亟的基本理論，對曲面重構(gòu)的基 本理論和方法進(jìn)行了論述，在NURBS理論的基礎(chǔ)上分析了型值點和控制點對曲線藍(lán)面的不同作用，介紹了曲線曲面的數(shù)學(xué)模型，對現(xiàn)有的曲線曲面插值和 擬合算法進(jìn)行了研究、分析、歸納和總結(jié)；重點研究了NURBS曲線曲面的性質(zhì)和特點，闡述了控制頂點和權(quán)因子在形狀控制中的重要作用。介紹了軟件 PRO-E的主要功能及其主要模塊，并以PRO-ENGINEER WILDFIRE 2.0為平臺，對基于PRO-E的逆向工程技術(shù)進(jìn)行了深入的研究；提出了利用Geomagic- studio和PRO-E協(xié)同進(jìn)行曲面重構(gòu)的方法，這是進(jìn)行曲面重構(gòu)的一條捷徑。對用Geomagic-studio處理后的實物數(shù)據(jù)點云進(jìn)行曲面重構(gòu)研究，并對重新構(gòu) 造患的曲面的質(zhì)量進(jìn)行分析和評價。 3.期刊論文 曹萃文.陳建政.張寅靜 基于Pro/E的逆向設(shè)計數(shù)據(jù)處理 -組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)2004(3) 文章闡述了逆向工程設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用背景、組成和原理.并論述了在產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用逆向工程技術(shù)的各關(guān)鍵環(huán)節(jié)對的原理和方法.提出了基于Pro/E技 術(shù)的逆向工程實現(xiàn)過程.從而為復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字化逆向工程設(shè)計提供了一種切實可行的方法. 4.期刊論文 沈洪雷 Pro/E軟件在眼鏡注塑模中的應(yīng)用 -工程塑料應(yīng)用2003,31(9) 以眼鏡塑料件為例,介紹了該制件的逆向工程、三維造型、模具成型零件設(shè)計及其數(shù)控加工等過程,并對各過程進(jìn)行了簡要的分析,實現(xiàn)了Pro/E軟件 在復(fù)雜型面模具設(shè)計與制造中的應(yīng)用. 5.期刊論文 張華 PRO/E基于STL數(shù)據(jù)的逆向工程的應(yīng)用 -遼寧經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院、遼寧經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 2009,45(5) 隨著市場競爭的日趨激烈,逆向工程技術(shù)為快速制造提供了很好的技術(shù)支持,已經(jīng)成為消化吸收和二次開發(fā)的重要、快捷的途徑之一.PRO/E在逆向設(shè) 計時針對如何構(gòu)線和構(gòu)面、如何對產(chǎn)品特征進(jìn)行規(guī)劃以及分割產(chǎn)品等提供了很便利實用的方法.是逆向設(shè)計中一個不可缺少的工具,大大縮短了產(chǎn)品開發(fā) 的周期,提高了產(chǎn)品的市場競爭力. 6.期刊論文 李勇.張玉新.上官林建.孔垂雨.LI Yong.ZHANG Yu-xin.SHANGGUAN Lin-jian.KONG Chui-yu 基于RE與 Pro/E的米老鼠玩具頭像模具設(shè)計 -模具工業(yè)2010,36(7) 利用逆向工程技術(shù)和Pro/E相結(jié)合,以米老鼠玩具頭像為原型進(jìn)行逆向工程的實際應(yīng)用研究,即應(yīng)用Pro/E的小平面特征進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、模型重構(gòu)、模 具設(shè)計,并對曲面重構(gòu)這一關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析,以縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期. 7.期刊論文 劉曉宇.劉德平.王瑩瑩.余水晶.劉玲玲.LIU xia-yu.LIU De-ping.WANG Ying-ying.YU Shui-jing. LIU Ling-ling 基于Pro/E的模型重構(gòu)技術(shù) -煤礦機(jī)械2008,29(10) 逆向工程是先進(jìn)制造技術(shù)的主力,是消化和吸收先進(jìn)技術(shù)的一種手段.介紹了逆向工程的內(nèi)容以及基于Pro/E軟件系統(tǒng)中的Pro/Scantools模塊來實現(xiàn) 零件逆向設(shè)計制造的方法和關(guān)鍵步驟--數(shù)據(jù)處理、3D模型重構(gòu),通過實例證明這種方法的可行性和便易性. 8.期刊論文 王春香.Wang Chunxiang 基于逆向工程的注射模CAD/CAE的應(yīng)用研究 -模具制造2009,9(8) 簡述了采用逆向工程技術(shù)理論對電吹風(fēng)外殼的研究和分析,并主要介紹利用Pro/E軟件進(jìn)行注射模設(shè)計的全過程.用MoldFlow進(jìn)行流動模擬分析,提高 了設(shè)計效率,節(jié)約了成本,對同類產(chǎn)品的設(shè)計具有一定的參考價值. 9.學(xué)位論文 陳飛 基于EOS544三坐標(biāo)測量機(jī)測量軟件WinMeil Plus與Pro/E的曲面逆向工程研究 2006 逆向工程技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)在先進(jìn)制造領(lǐng)域里的一種新技術(shù)，它通過采集實物的三維坐標(biāo)，利用相關(guān)的CAD/CAM軟件，重構(gòu)實物模型。這 種從實物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型的技術(shù)在己發(fā)展為CAD/CAM系統(tǒng)中的一個相對獨立的范疇。 本課題主要研究了坐標(biāo)點(點云)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和幾何型面構(gòu)造三部分的內(nèi)容。在對點云采集方法的研究中，利用三坐標(biāo)測量機(jī)測量軟件提供的二 次開發(fā)工具，針對不同的情況開發(fā)獨立點掃描、曲線掃描和曲面掃描三個程序塊；為了讓CAD/CAM軟件能夠讀取測量數(shù)據(jù)，在對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的研究中，利用 VisualBasic6.0開發(fā)了格式轉(zhuǎn)換器，完成從測量機(jī)文件格式到IGES文件格式的轉(zhuǎn)換；在重建幾何模型的研究中，利用Pro/E的Pro/SCANTOOLS工具，將導(dǎo) 入的點云重構(gòu)成曲面，并且進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠交幚?；最后，?yīng)用研究成果作了部分應(yīng)用性研究。 本課題的研究成果可用于簡單或較復(fù)雜型面的逆向重構(gòu)。但是，受到測量儀器本身的限制，在點云采集速度和點坐標(biāo)的采集精度等方面有待繼續(xù)研 究和改進(jìn)。 10.期刊論文 王春香.李雙青.Wang Chunxiang.Li Shuangqing 基于Imageware和Pro/E的齒輪逆向工程模型重建技 術(shù)研究 -機(jī)械傳動2010,34(8) 為了拓寬齒輪的反求建模途徑,探索了從曲面重構(gòu)的角度建立齒輪幾何模型的方法.以具有較高運動精度和接觸精度要求、用于某重型卡車中橋中行 星機(jī)構(gòu)的行星輪為對象,結(jié)合Imageware和Pro/E兩個軟件的優(yōu)勢,進(jìn)行反求建模研究,先在Imageware中依據(jù)測得的點云數(shù)據(jù)重構(gòu)出一個輪齒的曲面和一些 特征曲線,然后在Pro/E中構(gòu)建齒輪的整張曲面,最終去除材料得到了基于點云數(shù)據(jù)的直齒輪實體模型.研究結(jié)果表明,通過曲面重構(gòu)來建立齒輪CAD模型是 行之有效的方法. 本文鏈接： 授權(quán)使用：黑龍江工程學(xué)院(hljgcxy)，授權(quán)號：65391d70-3b45-48b5-9a49-9e9c00cb7d0d 下載時間：2011年3月4日 第28卷第12期 實驗室研究與探索 V01．28 No．12 2009年12月 RESEARCH AND EXPLORATl0N IN LABORATORY Dec．2009 基于破損零件逆向設(shè)計的快速成型及質(zhì)量分析 許耀東， 曹志鴻 (上海工程技術(shù)大學(xué)，上海200437) 摘 要：對漏油嘴零件的實際測量和在UG中的建模，實現(xiàn)破損漏油嘴原型復(fù)原的逆向設(shè)計。通過UG 導(dǎo)出的STL模型，及Catalyst軟件的分層處理，實現(xiàn)零件的快速成型制作。為證實原型件可以與原零件 互換使用的可能性，分別從尺寸精度、強(qiáng)度和表面質(zhì)量進(jìn)行了分析。通過ABS絲材收縮率補償后快速 成型，及STL面片模型的分析，得到原型件存在的收縮誤差和原理性誤差。應(yīng)用堆積機(jī)理說明原型件 強(qiáng)度取決于絲材的粘接強(qiáng)度，而小于絲材本身強(qiáng)度的特點。分析了絲材粘結(jié)層最小厚度及路徑寬度的 限制對成型表面質(zhì)量的影響。通過最終分析得出原型件在強(qiáng)度或表面質(zhì)量要求不高的情況下，如漏油 嘴，可以與原零件互換使用；要求較高，則只能作為原型展示。 關(guān)鍵詞：逆向設(shè)計；ABS塑料；STL模型；快速成型；堆積機(jī)理；原型質(zhì)量 中圖分類號：TB 476 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7167(2009)12—0043—04 Fast Prototype and Quality Analysis Based on Reverse—Design of Broken Parts XU Yao—dD增， CAO Zhi—k昭 (Shanghai University of．Engineering Science，Shanghai 200437，China) Abstract：Reverse design of a broken oil filler part was implemented through measuring and UG modeling．Exporting STL file from UG and layered process with Catalyst software can create a fast prototype part．Dimensional precision， strength and surface roughness were analyzed to prove the feasibility of prototype part in place of original part．With肌 analysis of compensation of ABS shrinkage rate to FP and STL facet model，the shrinkage errors and principle errors were got．Fused deposited mechanism was used to prove the prototype part strength in linkage with fused material adhering strength below the material strength．Surface quality was analyzed to be restricted by the fused material adhering layer’S minimum thickness and minimum fused path width．Finally，a conclusion was got that the prototype part can be used in一 ．stead of the original part on the condition of low demand of strength and surface roughness，like the filler oil part and only be used to display as a model on the contrary． Key words：reverse—design；acrylonitrile—butadine—styrene copolymer(ABS)；STL model；fast prototype；deposit mechanism；prototype quality 1 引 言 逆向工程是采用對實物或模型進(jìn)行數(shù)字化采樣測 量，然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重建實 物的CAD數(shù)字模型，從而實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計與制造的過 收稿日期：2009—03—18 作者簡介：許耀東(1978一)，男。山東高密人，硬士，助教，現(xiàn)主要從 事現(xiàn)代制造與檢測技術(shù)研究。 Tel．：021-65421020；E·marl：sodarbiseuit@163．com 程。逆向工程可以實現(xiàn)產(chǎn)品的改形或仿形設(shè)計，也可 以對損壞或磨損的零件進(jìn)行還原，再現(xiàn)原產(chǎn)品設(shè) 計…。 快速成型技術(shù)是在21世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來 的直接根據(jù)CAD模型生產(chǎn)樣件或零件的技術(shù)的總稱， 它被稱為現(xiàn)代制造技術(shù)的又一次革命。它集成了 CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和材料技術(shù)等多種現(xiàn) 代科技成果?？焖俪尚椭圃斓幕驹硎歉鶕?jù)三維 CAD模型對其進(jìn)行分層切片，從而得到各層截面的輪 萬方數(shù)據(jù) 實驗 室研究 與 探索 第28卷 廓，用計算機(jī)控制激光束固化一層層的液態(tài)光敏樹脂， 或利用某種熱源有選擇地噴射出一層層熱熔材料，形 成各截面不同并逐步疊加而成的三維產(chǎn)品K o。 逆向工程與快速成型技術(shù)相結(jié)合，可組成一個產(chǎn) 品設(shè)計、原型或小批量制造、檢測及設(shè)計修改的閉環(huán)系 統(tǒng)，經(jīng)過反復(fù)迭代，能高效率的完成產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計． 突破了制造監(jiān)的傳統(tǒng)模式，為快速設(shè)計和快速制造提 供了關(guān)鍵技術(shù)支持舊-。本文結(jié)合現(xiàn)階段的快速成型 技術(shù)的發(fā)展，對原型件能否打破傳統(tǒng)的只作為模型展 示，到能夠替代原始零件使用，及原型件的質(zhì)量評價通 過實驗進(jìn)行了研究。 2零件的逆向工程設(shè)計 根據(jù)逆向工程思維，可以對破損零件進(jìn)行逆向設(shè) 計，利用一些非專業(yè)的逆向設(shè)計軟件(如：UG、Pro／E、 CATIA等)和一些專業(yè)的逆向設(shè)計軟件(如：Surfacer、 CopyCAD、Trace等)進(jìn)行產(chǎn)品的逆向造型H。。本文首 先對破損的漏油嘴進(jìn)行測量，然后通過UG建模進(jìn)行 實物造型的還原設(shè)計。 2．1零件的測量 實驗中采用的是油煙機(jī)的一個漏油嘴，零件如圖 1所示，圖中顯示零件有破損和裂縫。對漏油嘴零件 進(jìn)行測量，并將破損處進(jìn)行還原，測量得到剖面尺寸如 圖2所示。 圖l漏油嘴實物幽 口10．5 圖2漏油嘴剖面尺寸圖 2．2 UG建模 根據(jù)漏油嘴零件的實測尺寸，在UG中進(jìn)行實體 建模…，將視圖中的WC$坐標(biāo)，移到建模零件的尺寸邊 界，使零件中不會出現(xiàn)負(fù)坐標(biāo)，如圖3所示。 圖3漏油嘴的UG建模 將UG的文件導(dǎo)出為STL文件，如圖4所示。將 STL文件導(dǎo)入到快速成型的處理軟件Catalyst中，如圖 5所示，會顯示出一個三維面片模型，如圖6所示。面 片模型是對三維CAD模型進(jìn)行切片后得到的數(shù)據(jù)格 式，在每層上用折線代替CAD模型中的曲線。執(zhí)行 Process STL命令可以生成快速成型分層的“之”字形 臺階軌跡，軌跡圖顯示了程序控制的噴頭噴涂過程中 運行的軌跡，如圖7所示。 萬方數(shù)據(jù) 第12期 許耀東，等：基于破損零件逆向設(shè)計的快速成型及質(zhì)量分析 45 3零件的快速堆積成型 3．1快速成型機(jī)及材料 快速成型機(jī)使用的是美國Dimension公司出品 的，型號為SSTl200，可水溶去除支撐的快速成型機(jī)。 正常工作時，成型機(jī)噴頭加熱溫度在270—300 oC，成 形室環(huán)境溫度t=70℃，噴嘴直徑為d。=0．254 mm。 材料用的是ABS．P400，由Stratasys公司開發(fā)的一 種材料¨1。這種材料軟化熔融區(qū)間在105—290℃，線 性收縮率在0．3％一0．5％，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性能 好，強(qiáng)度高，根據(jù)不同的應(yīng)用場合，部分原型可以作為 功能零件使用。ABS—P400絲材通常由90％一99％的 ABS樹脂，0～2％的礦物油和0—2％的石蠟3種組分 均勻混合而成¨。。一般情況下，ABS．P400絲材在常溫 下的彈性模量E=2．23 GPa，剪切模量G=833 MPa， 泊松比l，=0．34。當(dāng)溫度從50℃變化到270℃時，材 料的導(dǎo)熱系數(shù)，c=0．155—0．195 W／(m·℃)，比熱容 為1．4～2．4 kJ／(kg·℃)。 3．2快速堆積成型機(jī)理 原型堆積時，絲材間粘結(jié)是靠剛擠出的高溫絲材 所攜帶的熱能和表面勢能驅(qū)動的。在快速堆積成型 (FDM)工藝中，絲材從噴嘴擠出，沿著規(guī)劃的路徑進(jìn) 行堆積時，由于其高溫會使鄰近絲材的溫度迅速提升 到玻璃化溫度以上，接觸界面首先發(fā)生軟化浸潤。隨 著接觸界面的消失，絲材間的分子發(fā)生相互擴(kuò)散，通常 不定型熱塑性聚合物分子發(fā)生跨界面的有效熱擴(kuò)散溫 度高于該聚合物的玻璃化溫度。經(jīng)過一定時間的有效 擴(kuò)散后，將達(dá)到界面間分子的完全浸潤，實現(xiàn)并最終建 立起絲材之間的熱驅(qū)動粘結(jié)。粘結(jié)界面溫度越高，有 效擴(kuò)散時間越長，分子運動越劇烈，界面的粘結(jié)強(qiáng)度就 越高。但由于這種粘結(jié)是建立在界面分子的不充分?jǐn)U 散(不是有機(jī)大分子的擴(kuò)散，而是分子片段間的擴(kuò)散 連接)基礎(chǔ)上，所以絲材間的粘結(jié)強(qiáng)度比絲材的強(qiáng)度 要低。為了獲得較高的粘結(jié)強(qiáng)度，就需要最大限度的 延長擴(kuò)散粘結(jié)的時間，同時考慮到原型有好的形狀質(zhì) 量和表面質(zhì)量，防止絲材在堆積時發(fā)生尺寸變形，就需 要堆積的絲材能夠迅速固化哺1。所以成形機(jī)需選擇 合適的擠出溫度和環(huán)境溫度，來綜合權(quán)衡考慮絲材的 粘結(jié)強(qiáng)度和表面質(zhì)量。 4成型零件的質(zhì)量分析 4．1快速成型材料熱特性對成型精度的影響 由于是用ABS-P400塑料進(jìn)行的制作，從噴頭絲 材的熔融堆積，到絲材的冷卻固化，最后從快速成型機(jī) 取出，存在環(huán)境的溫差。已知ABS—P400材料的收縮 率為0．3％～0．5％【9]，這樣它會造成尺寸誤差。如表 1所示，對于零件橫截面尺寸10．5 mm和高度尺寸lO mm，分別產(chǎn)生0．14 mill和0．04 mm的誤差，橫截面相 對誤差約為1．3％，高度相對誤差為0．4％。為了消除 這部分誤差，將原實物UG模型放大1．005倍，再進(jìn)行 STL轉(zhuǎn)換并快速成型，發(fā)現(xiàn)原型的尺寸仍然存在誤差， 如表1所示，對于10．5 mm和10 mm的尺寸，產(chǎn)生0．1 mm和0．02 mm的誤差。說明除了材料收縮率外還有 其他的因素影響原型的尺寸精度。 表l 收縮率調(diào)整前后原型尺寸測量結(jié)果 mm 4．2快速成型原理性誤差 由于快速成型制作原型時，需要進(jìn)行文件由三維 CAD模型向STL格式的轉(zhuǎn)換，而STL文件信息描述方 式和分層制造產(chǎn)生的臺階效應(yīng)是快速成形技術(shù)的原理 性誤差。如圖8所示為一球狀物體的STL模型。STL 模型是物體原始CAD模型的近似表達(dá)¨01，三角面片 的數(shù)量越多，STL模型就越逼近原始CAD模型。 ⑨ 圖8球體的STL模型 三角化就是用許多無序的小三角面片來近似 CAD模型的表面輪廓，如圖8所示，這種近似表達(dá)降 低了原型制造的表面精度。由于RP(Rapid Prototype) 分層制造的原理，原型是由一系列沿制作方向的層片 堆積而成，因此產(chǎn)生的臺階效應(yīng)造成堆積原型的表面 與CAD模型的表面輪廓不一致，最終的原型輪廓只是 原始CAD模型的臺階狀近似，如圖9所示。 ／| 卜 ／1 八 刃 h I I 卜 一 卜 ／| 卜／l r、、一—一一1 圖9球體分層的臺階效應(yīng) 4．3堆積機(jī)理對成型強(qiáng)度及表面質(zhì)量的影響 ABS—P400的成形材料是通過對熔融絲材“肩并 肩”并行堆積疊加而成的原型，原型靠絲層問的粘結(jié) 力粘結(jié)產(chǎn)生的，所以零件的強(qiáng)度取決于粘結(jié)力的大小 而不是材料的強(qiáng)度。零件在沿堆積絲材軸線方向的強(qiáng) 度約為31 MPa，而在垂直于絲材軸線方向的橫向薄弱 萬方數(shù)據(jù) 實 驗室研究 與 探 索 第28卷 部位，絲材間的粘結(jié)強(qiáng)度僅為5 MPa，采用ABS熔融絲 材層間疊加堆積而成的原型強(qiáng)度只有使用同種材料注 塑而成的原型強(qiáng)度的60％一80％ott]。削弱原型強(qiáng)度 的微觀原因主要是原型內(nèi)的空隙和絲材間薄弱的粘結(jié) 部分，原型內(nèi)部的空隙減小了力作用方向的承載面積， 并伴有應(yīng)力集中和剪切裂紋等不利因素；而靠熔融熱 擴(kuò)散粘結(jié)在一起的絲材，絲材間的粘結(jié)強(qiáng)度包括其抗 剪切強(qiáng)度和抗拉伸強(qiáng)度都小于堆積絲材本身的強(qiáng)度。 因此，若要提高熔融堆積原型的機(jī)械力學(xué)性能就必須 降低原型的空隙率和提高層與層之間以及各層內(nèi)絲材 間的粘結(jié)質(zhì)量。所以快速堆積成型零件一般具有較低 的強(qiáng)度，并且由于快速成型的材料價格較高，成型精度 不夠，通常只用于外觀造型，而不進(jìn)行互換使用¨…。 由于本例漏油嘴要求的強(qiáng)度不高，而且并非大批量生 產(chǎn)，所以可以通過快速原型件替代原始零件使用。 其次對快速原型的表面質(zhì)量進(jìn)行分析，由于堆積 層的層間厚度為0．254 mm，堆積時的路徑寬度是 0．508 mm 013 J，如圖10所示。這不可避免的會產(chǎn)生一 些微小的堆積間隙，所以影響了成型零件的表面粗糙 度。目前還沒有針對RP工藝特點統(tǒng)一的描述方法， 只有借鑒傳統(tǒng)用于對機(jī)加工零件進(jìn)行表面精度評價的 指標(biāo)。使用表面粗糙度來衡量FDM原型件的表面微 觀精度，仍采用其常用的評定方法——輪廓算術(shù)平均 偏差置。對熔融堆積原型件進(jìn)行表面精度分析。通過 對漏油嘴原型的觀察，一般成型零件的表面能看到堆 積紋路，如圖1l所示。成型零件的粗糙度R。接近6．3 itm(對應(yīng)光潔度V4)，比對粗糙度樣板如圖12所示。 5結(jié) 論 圖12粗糙度樣板比對 (1)快速堆積成型的零件受ABS材料收縮率以 及快速成型原理性誤差等因素的影響，導(dǎo)致快速原型 件的尺寸存在一定的誤差。試驗得出原型橫截面的相 對誤差約為1．3％，高度相對誤差較小。 (2)快速堆積的粘結(jié)機(jī)理影響了零件的強(qiáng)度，使 快速原型件強(qiáng)度取決于絲材的粘接強(qiáng)度，而小于絲材 本身的強(qiáng)度。同時絲材粘結(jié)層最小厚度及路徑寬度的 限制也導(dǎo)致了零件粗糙度的等級不是很高，通常R．一 6．3斗m。 (3)通過對零件逆向設(shè)計和快速成型可以做到零 件的外型展示，若零件強(qiáng)度要求不高，如漏油嘴，可以 將快速原型件與原零件互換使用。若強(qiáng)度要求嚴(yán)格則 不能與原零件互換使用。 參考文獻(xiàn)I Referellces)： [1]王曉飛，吳蓓蓓．基于逆向工程的產(chǎn)品外觀設(shè)計[C]／f2007國際 工業(yè)設(shè)計研討會暨第12屆全國工業(yè)設(shè)計學(xué)術(shù)年會論文正綰． 2007(12)：270-272． 【2] 王明輝，宋家旺，趙毅．反求工程與連桿的快速成形【】]．中國 機(jī)械工程，2006(10)：230-233． [3] “L，Schemenauer N，Peng X．A I℃vellle engineering system for rapid manufacturing of complex objects[J]．Robotics and Computer Interg- rated Manufacturing，2002，18：53-67． [4]周耀新，王宏濤，劉巧云．逆向工程技術(shù)概論[J]．機(jī)械設(shè)計， 2005，22：3-4． [5] 李澤峰．UG逆向技術(shù)的方法應(yīng)用[c]／／中國汽車工程學(xué)會制造 年會．2005：43-45． [6]Grimm T．User’s guide to rapid prototyping[M]．Dearbom：Mich Society of Manufacturing Engineering，2004． [7]Perez C J．Analysis of the surface roughness and dimensional aecura- cy capability of fused deposition modeling process[J]．International Joumal of Production 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