基于支承套的螺旋扶正器杆体的逆向设计与多轴加工

２０１５年１０月第４３卷第２０期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＯｃｔ ２０１５Ｖｏｌ ４３Ｎｏ ２０ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１５ ２０ ０１６收稿日期：２０１４－０８－０５基金项目：山西省高等学校科技研究开发项目（２０１２１１３５）作者简介：李粉霞（１９７６ ），女，硕士，副教授，主要从事逆向工程㊁数控加工以及ＣＡＤ／ＣＡＭ方面的科研和教学工作㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｆｘ５１６８＠１６３ ｃｏｍ㊂基于支承套的螺旋扶正器杆体的逆向设计与多轴加工李粉霞１，李瑞霞２，杨兴隆３（１ 山西机电职业技术学院，山西长治０４６０１１；２ 长治医学院，山西长治０４６０００；３ 山西淮海工业集团有限公司，山西长治０４６００３）摘要：阐述了在为某采煤公司研制螺旋扶正器杆体的过程中，打破传统的正向设计思路，引用现代三维扫描测试技术㊁曲面重构技术㊁ＣＡＤ／ＣＡＭ技术以及先进制造技术来实现产品实物的逆向过程，缩短了产品研制周期，提高了产品质量，创新了产品的设计思路，使用效果良好㊂关键词：逆向工程；点云处理；曲面重构；多轴加工；自动编程中图分类号：ＴＰ３９１ ７㊀㊀文献标志码：Ｂ㊀㊀文章编号：１００１－３８８１（２０１５）２０－０４５－４ＲｅｖｅｒｓｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＭｕｌｔｉ⁃ａｘｉｓＭａｃｈｉｎｉｎｇｏｆＳｐｉｒａｌＣｅｎｔｒａｌｉｚｅｒＲｏｄＢａｓｅｄｏｎＳｕｐｐｏｒｔｉｎｇＳｌｅｅｖｅＬＩＦｅｎｘｉａ１，ＬＩＲｕｉｘｉａ２，ＹＡＮＧＸｉｎｇｌｏｎｇ３（１ ＳｈａｎｘｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈａｎｇｚｈｉＳｈａｎｘｉ０４６０１１，Ｃｈｉｎａ；２ ＣｈａｎｇｚｈｉＭｅｄｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，ＣｈａｎｇｚｈｉＳｈａｎｘｉ０４６０００，Ｃｈｉｎａ；３ ＨｕａｉｈａｉＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＣｈａｎｇｚｈｉＳｈａｎｘｉ０４６００３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｐｉｒａｌｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｒｒｏｄｆｏｒａｍｉｎｉｎｇｃｏｍｐａｎｙ，ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐｏｓｉｔｉｖｅｄｅｓｉｇｎｉｄｅａｗａｓｂｒｏ⁃ｋｅｎ，ｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｒｅｖｅｒｓｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｒｏｄｕｃｔ，ｍｏｄｅｒｎ３Ｄｓｃａｎｎｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｓｕｒｆａｃｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣＡＤ／ＣＡＭｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄａｄｖａｎｃｅｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｙｃｌｅｉｓｓｈｏｒｔｅｎｅｄ，ｐｒｏｄｕｃｔｑｕａｌｉｔｙｉｓｉｍ⁃ｐｒｏｖｅｄ，ｄｅｓｉｇｎｉｄｅａｉｓｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ，ａｇｏｏｄｕｓｅｅｆｆｅｃｔｉｓｇｏｔｔｅｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｅｖｅｒｓｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；Ｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；Ｓｕｒｆａｃｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；Ｍｕｌｔｉ⁃ａｘｉｓｍａｃｈｉｎｉｎｇ；Ａｕｔｏｍａｔｉｃｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ㊀㊀扶正器也称稳定器，是在采煤或煤层气钻井过程中，保持细长钻杆平稳运转，使钻头轴线尽可能接近钻孔中心线的一种器具，起防斜㊁定向与缓冲作用㊂然而，在工作过程中由于磨损㊁冲击剧烈，扶正器更换频繁，但往往遇到型号不匹配㊁价格昂贵等因素的影响㊂在为某采煤公司研制扶正器杆体的过程中，运用了逆向工程㊁曲面重构设计㊁多轴联动加工等新技术，完成了杆体的设计与制造㊂１㊀产品的逆向设计在某采煤公司钻探机构－扶正器的研制过程中，研制小组企图用正向设计的思路，通过精确测量，运用在数控车床上进行螺纹加工的方式完成产品的研制㊂然而在实际过程中，由于测量参数误差㊁螺纹头数不确定等因素，加工的产品无法完成装配，不能正常运转㊂基于以上问题，研制小组转变思路，采用逆向思维的方式，对螺旋扶正器支承套进行了中分切割，如图１所示，其中内部橡胶衬套在此起导向㊁扶正和缓冲作用㊂通过对支承衬套内部螺旋体曲面进行三维扫描，运用曲面重构技术，完成了产品的逆向设计过程㊂逆向流程如图２所示㊂图１㊀扶正器支承套图２㊀逆向设计流程图１ １㊀螺旋套点云数据采集数据采集的准确性㊁完整性是衡量采集设备的重要指标，也是保证产品研制后续环节的重要前提，因此，零件的三维数据采集是产品逆向设计的关键步骤，是后续工作的基础，通过对产品结构进行细致分析，设计了合理的采集方案㊂考虑到产品曲面形状复杂，在采集点云数据时，采用北京三维天下有限公司生产的ＷＩＮ３ＤＤ单目非接触扫描仪进行扫描㊂扫描前为产品喷上了一层薄薄的喷显影剂，这样可以增强产品扫描的效果，保证点云的均匀㊁完整，同时便于点云的自动拼接，在产品上粘贴标记点㊂其中，标志点的粘贴方式是保证扫描策略顺利实施的关键，必须坚持以下原则：（１）为不影响特征采集，标志点要尽量贴在工件的平面区域或曲率较小的曲面；（２）根据三点确定一个平面原则，标志点不可贴在一条直线上；（３）为了便于自动拼接，每相图３㊀点云数据邻旋转角度之间的公共标志点不少于４个㊂得到的点云数据如图３所示，可以看出点云数据均匀㊁完整，虽然右上角有些残缺，但该产品属于螺旋结构，只要得到一个完整的螺旋面即可通过复制命令得到完整的曲面，对于后续的曲面处理没有任何影响㊂１ ２㊀点云数据处理由于通过扫描仪得到的原始点云数据数据量庞大，且包含着大量的噪声点㊁无信息点以及误差点，这些点并不能对后期的曲面重构产生帮助，相反地还会对后期曲面重构造成不利影响㊂因此需要通过对点云数据的预处理，以达到对噪声点㊁误差点㊁无信息量点的剔除，完成点云的优化，来方便后期曲面重构㊂将扫描所得的点云数据保存为．ｔｘｔ或．ａｓｃ格式，导入到ＧｅｏｍａｇｉｃＳｔｕｄｉｏ软件中，对点云进行剔除体外孤点㊁降噪㊁统一采样㊁封装等处理㊂在进行统一采样时有３种点云处理方式，分别为按曲率方式㊁栅格采样方式和随机方式㊂其中按曲率采样是在保留高曲率部分点云细节的情况下，对曲率平缓部点云进行精图４㊀封装后的曲面简；栅格采样是创建点间隔均匀的点数据，对曲率的高低不会考虑；而随机则是无序地对点进行精简㊂根据此产品特征，采用按曲率方式进行统一采样，保留了关键细节特征，进入多边形模型阶段进行曲面的拟合处理，如图４所示㊂１ ３㊀曲面重构在ＧｅｏｍａｇｉｃＳｔｕｄｉｏ逆向工程软件中所采用的曲面建模技术主要包括２种：一种是自动造面，即依托三角网格曲面的建模技术；一种是手动造面，依托四边形网格区域的建模技术㊂前一种方案具备适应性和灵活性强的特点，但主要针对于复杂的无规律的曲面拟合，具有生成的曲面经常不满足产品要求和与ＣＡＤ建模软件在数据交换上有困难的局限性㊂对比之下，第二种方法具有所产生曲面具有良好的几何不变性以及较强的局部控制能力，同时在数据交换上也极为容易的优点㊂因此，对于此螺旋曲面的重构，采用了第二种方式，手动创建ＮＵＲＢＳ曲面，过程如下：（１）创建三角形网格（即多边形模型），明确散乱点云数据之间的拓扑连接关系，以便后续处理使得数据合理化，三角网格探测与编辑结果如图５所示，曲面流线分析如图６所示，可以看出曲面三角网格均匀㊁曲面流线分区合理㊂图５㊀三角网格面片㊀㊀㊀㊀图６㊀曲面流线分析㊃６４㊃机床与液压第４３卷（２）四边形网格曲面构建㊂主要是通过软件中的 构造曲面片 命令，合并或分割三角形网格，并对四边形网格曲面片进行编辑，结果如图７所示㊂（３）对编辑好的四边域网格模型的ＮＵＲＢＳ曲面进行曲面拟合，并转换为ＣＡＤ曲面，如图８所示，保存为 ｓｔｌ或 ｉｇｓ格式，转入ＣＡＤ／ＣＡＭ软件进行后续的曲面加工设置㊂图７㊀四边形网格曲面㊀㊀图８㊀转换成的ＣＡＤ曲面（４）曲面质量分析㊂为判断生成的拟合曲面是否能够达到公差要求，可以对曲面与原始点云进行偏差分析，在将点云和曲面进行自动坐标对齐的基础上，进行偏差分析，结果如图９所示，平均偏差为０ ３，符合产品研制开发要求㊂图９㊀曲面偏差分析２　产品的参数化建模及多轴加工２ １㊀扶正杆的建模将生成的 ｓｔｌ或 ｉｇｓ格式的ＣＡＤ曲面导入到ＣＡＸＡ软件进行扶正器杆体的造型，在这里相当于一个双逆向的过程，在曲面拟合部分得到的是衬套的曲面，而真正需要的是杆体的曲面㊂建模步骤为：（１）在精确调整坐标的基础上对曲面边缘进行精确裁剪，得到去除边缘的螺旋曲面；（２）将曲面绕Ｚ轴旋转１８０ʎ（注意这里是 旋转 而不是 镜像 ）；（３）生成曲面两侧平面，进行曲面 实体填充 ，生成实体，在实体两侧使用 拉伸 命令生成扶正器杆体前㊁后两侧圆柱体；（４）对于生成的杆体实物，要进行模具缩放处理，根据要求整体缩小３％，结果如图１０所示㊂图１０㊀零件实体模型２ ２㊀零件加工工艺分析由于产品属于杆状螺旋曲面模型，所以采用一夹一顶的装夹方式，用ＣＡＸＡ软件中ＣＡＭ功能自动生成加工程序，在四轴加工中心上完成零件的加工㊂具体加工方案如下：粗加工㊂粗加工往往首先考虑到的是加工效率，所以刀具选择ϕ１６的立铣刀，运用三轴加工模式的 等高线粗加工 方式，分别围绕３６０ʎ曲面进行０ʎ㊁１２０ʎ㊁２４０ʎ平面上的３次定向加工，这样可以保证曲面之间的光滑过渡；又由于零件为凸模，所以下刀选择毛坯外 直线下刀 方式进行㊂等高线粗加工是高效去除大余量的最有效形式，可以自动根据毛坯与工件的实际情况，选择不同的层间隔，为精加工留下均匀的余量㊂加工轨迹如图１１（ａ）所示㊂图１１㊀粗㊁精加工刀具轨迹㊃７４㊃第２０期李粉霞等：基于支承套的螺旋扶正器杆体的逆向设计与多轴加工㊀㊀㊀精加工㊂曲面精加工方法的选择和参数的设置直接关系到曲面的表面质量和精度㊂针对该产品，在精加工过程中，用直径为ϕ６的硬质合金球头刀，采用 四轴平切面加工 的方式进行，刀具围绕曲面进行环形走刀，工件在加工过程中绕Ｘ轴进行３６０ʎ旋转，加工行距为０ １㊂图１１（ｂ）是为了显示清楚，把行距变大了５倍后的精加工刀具轨迹㊂２ ３㊀零件的仿真加工零件的仿真加工已经成为产品投入生产之前进行检验的关键步骤，随着产品复杂程序的不断提高，仿真加工成为了检验零件实际加工的重要手段㊂仿真加工的方式有很多种，可以运用专用的仿真软件，如Ｖｅｒｉｃｕｔ㊁宇龙㊁斯沃等仿真软件来对刀具路径和加工工艺进行验证，并可以根据验证分析结果对程序进行进一步的优化㊂图１２为采用ＣＡＸＡ软件自带的仿真模块进行的粗㊁精加工仿真结果㊂图１２㊀零件的仿真加工２ ４㊀零件的实际加工零件程序经过仿真加工之后，根据实际加工机床的系统，由ＣＡＭ软件生成与机床系统相匹配的程序，通过在线传输或者存储卡输入的方式传入数控机床进行加工㊂零件的实际加工在配有ＦＡＮＵＣ系统的四轴联动加工中心上进行，采用一夹一顶的定位方式，完成了零件的一次装夹全部加工㊂经与扶正器支承套装配，螺杆可以在支承套内自由旋转，实现了扶正杆的直线平移，并且没有卡死或脱落现象，符合工况要求，投入正常使用㊂加工过程和实物如图１３所示㊂图１３㊀零件实际加工过程３㊀小结逆向工程秉承一种产品引进㊁消化㊁吸收与创新的思路，以 实物➝原理➝功能➝三维重构➝再设计 框架模型为工作过程，一方面为提高工程设计㊁加工㊁分析的质量和效率提供充足的信息，另一方面为充分利用先进的ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ技术对已有的产品进行再创新工程服务㊂文中在产品研制过程中，打破了传统的机械设计思路，引用新的逆向思路，大大缩短了产品的研制周期，提高了产品的质量，取得了良好的效果㊂参考文献：［１］王霄．逆向工程技术及其应用［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４．［２］赵正庭．螺旋扶正器钻具结构的应用［Ｊ］．石油钻采工艺，１９８３（２）：３５－３８．［３］朱建能，周继伟，吴正波，等．基于逆向工程的零件反求设计与制造［Ｊ］．硅谷，２０１２（１１）：４６－４８．［４］吴迎春．基于Ｇｅｏｍａｇｉｃ和ＵＧ的逆向工程造型与制造应用［Ｊ］．机械制造与自动化，２０１０，３９（５）：１２０－１２２．［５］胡影峰．ＧｅｏｍａｇｉｃＳｔｕｄｉｏ软件在逆向工程后处理中的应用［Ｊ］．制造业自动化，２００９，３１（９）：１３５－１３８．［６］王海文，高国强．螺杆泵井抽油杆扶正器结构研究［Ｊ］．石油机械，２００８，３６（３）：５６－５８．［７］吴克．基于逆向工程的吉普车外覆盖件造型建模方法研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨理工大学，２０１３．［８］李江雄，柯映林．基于特征的复杂曲面反求建模技术研究［Ｊ］．机械工程学报，２０００，３６（５）：１８－２２．［９］吕汉明，王扬．用于三角网格模型的启发式四边区域划分算法［Ｊ］．吉林大学学报：工学版，２００８，３８（１）：１５８－１６０．㊃８４㊃机床与液压第４３卷。