陳思濤 張永武

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司系統(tǒng)件廠，四川 成都610092)

傳統(tǒng)的機(jī)械加工是先進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，繪制工程二維圖紙，最后生產(chǎn)車間按工程二維圖紙進(jìn)行產(chǎn)品零件的加工。然而，以數(shù)控加工技術(shù)為代表的先進(jìn)制造技術(shù)，在制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，如航空航天、汽車等行業(yè)有著日益廣泛的應(yīng)用，已成為現(xiàn)代制造業(yè)中不可或缺的加工手段。

但是，在目前航空制造業(yè)中，除近年來(lái)的一些新機(jī)型外，設(shè)計(jì)都無(wú)法給出完整的數(shù)字模型，而是以工程圖紙方式下發(fā)到各生產(chǎn)車間，按工程圖紙進(jìn)行產(chǎn)品加工。一些表面形狀無(wú)法用精確數(shù)學(xué)模型來(lái)描述的零件，傳統(tǒng)機(jī)床很難實(shí)現(xiàn)高精度、快速加工，故只能采用靠模銑床及大量的工裝夾具等進(jìn)行仿制。隨著生產(chǎn)批量的增加，生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量等要求提高，傳統(tǒng)的加工方法已不能滿足現(xiàn)行的生產(chǎn)要求。

在設(shè)計(jì)沒(méi)有提供三維數(shù)字模型的情況下，如何利用CAD/CAM 以及數(shù)控加工技術(shù)制造出符合要求的產(chǎn)品，是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。逆向工程便能有效解決這一問(wèn)題，對(duì)已有實(shí)物或模型利用數(shù)字化量測(cè)儀器進(jìn)行測(cè)量獲得點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，再對(duì)點(diǎn)陣數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、分析并生成曲面后創(chuàng)建三維模型，最后利用數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行零件高效快速制造。逆向工程流程如圖1所示。

1 某型機(jī)加油口蓋零件逆向造型

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)獲取是加油口蓋逆向CAD 造型的首要環(huán)節(jié)，是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、模型重構(gòu)的基礎(chǔ)。在對(duì)加油口蓋原型的測(cè)量中，采用具有非接觸特性的EXA-scan 高精度高分辨率便攜自定位手持式三維激光掃描儀，進(jìn)行加油口蓋原型的數(shù)據(jù)采集。其掃描測(cè)量方法是激光三角法，該方法以空間交會(huì)原理為基礎(chǔ)，基本原理如圖2所示。

圖2 中，A、B 分別為傳感器探頭位置，C 為被測(cè)點(diǎn)，B'、C'分別是B、C 在A 所在水平面的投影，C″為C在B 所在水平面的投影。以A 點(diǎn)為原點(diǎn)，AB'為X 軸，過(guò)A 點(diǎn)鉛垂線向上為Z 軸，定義右手坐標(biāo)系OXYZ。設(shè)C 點(diǎn)坐標(biāo)為(X，Y，Z)，α、β、γ、ψ 分別為C 關(guān)于A、B兩經(jīng)緯儀的水平測(cè)角和俯仰測(cè)角。

假設(shè)AB' =h，BB' =u 已知，且令

則

可推導(dǎo)出C 點(diǎn)的坐標(biāo)為

由此便獲得了C 與A 之間的相對(duì)位置關(guān)系。同理，可以獲得C 與B 之間的相對(duì)位置關(guān)系，通過(guò)兩個(gè)探頭建立互聯(lián)就可以定位C 的空間位置。實(shí)際操作時(shí)依次掃描標(biāo)示點(diǎn)，建立相互之間的空間位置關(guān)系，最后就能得到完整的空間點(diǎn)云。

測(cè)量時(shí)，首先需要在待測(cè)加工口蓋零件表面粘貼反光測(cè)量點(diǎn)，粘貼點(diǎn)密度視表面區(qū)域曲率變化情況而定，原則上曲率變化較大或曲率半徑較小的部位應(yīng)適當(dāng)加密。然后，使用EXA-scan 三維激光掃描儀對(duì)該零件實(shí)施三維激光掃描測(cè)量，分別得到所有反光測(cè)量點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用EXA Scan 掃描裝置將其測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)格式(* . stl)保存到測(cè)量項(xiàng)目中，為后面的數(shù)據(jù)預(yù)處理和曲面重構(gòu)作準(zhǔn)備。

1.2 幾何造型

由于測(cè)量方法和實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境的變化影響，以及測(cè)量設(shè)備的某些局限性，測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)引入了誤差，所以要對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括去除異常噪聲數(shù)據(jù)、壓縮冗余數(shù)據(jù)、補(bǔ)齊遺失點(diǎn)、對(duì)多次測(cè)量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊定位等。首先將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入CAITA 軟件的數(shù)字化外形編輯器(Digitized ShapeEditor)模塊中，生成數(shù)據(jù)點(diǎn)云，如圖3 所示。

然后再進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理。點(diǎn)云處理包括數(shù)據(jù)過(guò)濾及平滑、數(shù)據(jù)整合對(duì)齊、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、數(shù)據(jù)分割等。在CATIA 軟件中首先應(yīng)用命令(remove point)手動(dòng)刪除外，以及用命令(remove spike)根據(jù)設(shè)定的最少角度系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算刪除角度小于設(shè)定值的雜點(diǎn)、跳點(diǎn)，讓點(diǎn)群平順化;再通過(guò)CATIA 的Filte 功能，在保證原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的外形和清晰結(jié)構(gòu)的前題下，將多余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)篩選精簡(jiǎn)，以最少的點(diǎn)來(lái)表達(dá)加油口蓋表面信息;再次，利用三角曲面片法在三角網(wǎng)格上構(gòu)造連續(xù)的Bernstein-BEzier 曲面，從而達(dá)到建立加油口蓋曲面的目的;最后，按照產(chǎn)品圖紙進(jìn)行加油口蓋三維實(shí)體模型的構(gòu)建，如圖4 為加油口蓋曲面圖和CAD 加油口蓋實(shí)體造型圖。

2 加油口蓋的質(zhì)量控制與數(shù)控加工

2.1 加油口蓋的質(zhì)量控制

端面自由曲面軸類零件加油口蓋DD － ＊＊＊ －61031 －＊＊，是精密鑄件加工而成。零件端面為自由曲面，面上的孔為法向孔，并且需要通過(guò)找正航向而加工缺口槽。由于該機(jī)型的系統(tǒng)零件無(wú)數(shù)字化模型，原零件的加工只能采用傳統(tǒng)加工方式——仿形加工，工件安裝困難，定位不精確，對(duì)操作工人的技能要求極高。工件結(jié)構(gòu)、形狀見(jiàn)圖5 所示。

原加工流程中，加油口蓋端面型面及槽缺口均采用傳統(tǒng)常規(guī)普通機(jī)床加工，對(duì)操作工人各項(xiàng)技能要求極高，對(duì)操作工人的依賴程度高。得到加油口零件的三維數(shù)字模型后，調(diào)整工藝方案——改為數(shù)控加工，降低了對(duì)操作工人的技能要求和依賴程度，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。圖6 所示為加油口蓋零件工藝改善前后的質(zhì)量控制流程圖。

其中，數(shù)控銑加工前的NC 編程與仿真質(zhì)量控制流程如圖7 所示。

2.2 設(shè)計(jì)工裝夾具

根據(jù)調(diào)整后的工藝流程——改為五坐標(biāo)機(jī)床進(jìn)行數(shù)控加工，重新設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易工裝夾具，以車工已加工的內(nèi)孔及端面定位，如圖8 所示，工件裝夾簡(jiǎn)單方便，較好地解決了工件定位誤差大、裝夾不方便的問(wèn)題，并取消了原仿形車夾、鉆模及拼裝銑夾，從而盡可能地降低加油口零件超差出現(xiàn)的機(jī)率。

2.3 刀路軌跡的設(shè)計(jì)

將在CATIA 軟件下完成的加油口蓋零件模型以STP 格式輸出，并在UG NX6.0 軟件中打開(kāi)，建立毛坯、并將毛坯裝配到設(shè)計(jì)的工裝夾具中，選定加工原點(diǎn)，設(shè)計(jì)工藝方案及走刀路線，并根據(jù)曲面及工件特性選擇不同的刀具和加工方式，設(shè)置合理的工藝參數(shù)、切削用量、主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)，生成加油口蓋工件的數(shù)控加工刀具路徑，如圖9 所示。

2.4 后處理與Vericut 仿真加工

生成加油口蓋工件的加工走刀路線后，應(yīng)用專用的五坐標(biāo)后處理軟件進(jìn)行后處理。后處理就是將刀具軌跡經(jīng)過(guò)后處理文件，將前置文件(GO TO 語(yǔ)句)轉(zhuǎn)換成為數(shù)控機(jī)床能夠識(shí)別的NC 程序(G 代碼)。不同的機(jī)床能識(shí)別的數(shù)控代碼也不盡相同，因此不同的機(jī)床必須采用不同的后處理文件。本零件需要多面體五坐標(biāo)機(jī)床加工，故選擇專用的五坐標(biāo)后處理文件進(jìn)行后處理。完成后處理后，還需要結(jié)合專業(yè)的數(shù)控仿真軟件Vericut，盡可能地對(duì)數(shù)控加工程序所涉及的各個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證，以保證最終加工程序的正確性。圖10 所示為Vericut 機(jī)床仿真。

3 應(yīng)用成效

通過(guò)采用三維掃描進(jìn)行逆向工程技術(shù)的研究實(shí)踐，獲取了加油口零件的三維數(shù)字模型，并修改工藝方案——五坐標(biāo)加工中心加工，完善工藝流程，同時(shí)，根據(jù)新的工藝方案需求，重新設(shè)計(jì)了加油口零件工裝夾具等一系列措施，該零件合格率明顯上升，對(duì)該零件2012 年12 月－2013 年2 月的生產(chǎn)情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表1，加油口蓋零件的平均生產(chǎn)合格率達(dá)到了98.08%。

表1 加油口蓋零件生產(chǎn)合格率統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用具有非接觸特性的EXA-scan 高精度高分辨率便攜自定位手持式三維激光掃描儀，進(jìn)行某型機(jī)加油口蓋原型的數(shù)據(jù)采集，獲取了加油口蓋零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù);再通過(guò)CATIA 軟件實(shí)現(xiàn)了零件的CAD 模型重構(gòu)，并將模型導(dǎo)入到UG NX6.0 軟件中完成數(shù)控加工編程與后處理工作，從而得到NC 程序;然后在Vericut 軟件中進(jìn)行加油口蓋零件的加工仿真，驗(yàn)證了NC 程序的正確性;最后將程序轉(zhuǎn)入數(shù)控機(jī)床完成零件的生產(chǎn)加工。實(shí)踐證明了，將三維掃描、CATIA、UG、Vericut 的完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)零件的逆向制造工程的需求。本方法同樣適用于對(duì)其他復(fù)雜曲面零件的逆向造型與制造加工，提高了原依靠仿形加工類零件的加工合格率和制造效率。

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