鞋楦曲面的逆向设计与数控加工*

高东强，司见龙，李愿望，钱 喆，兰云利

(陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021)

1 引言

逆向工程也称反求工程，是根据已有产品生成图样，再制造出新产品的技术。目前多数逆向工程研究主要集中在实物的逆向重构上，即由一定的测量手段采集到模型数据，然后通过三维几何建模重构出实物CAD模型，从而实现产品设计与制造的过程［1］。鞋楦是制鞋的关键工序之一。一般的鞋模曲面都是由非初等曲线构成的自由型曲面，这就使其设计与加工过程变得复杂。将逆向设计的方法应用于鞋楦母模的设计与制造，将改变鞋模传统的设计思想，大大缩短其制造周期。

2 鞋楦曲面数据采集

数据采集是逆向工程中的重要阶段，也是直接影响模型曲面精度的关键因素之一。根据数据采集方式可将测量过程分为接触式和非接触式两种。接触式测量对被测物体的表面条件和光线要求不高，但其测量速度较慢且对质软样件的测量误差较大。非接触式对样件的材料没有要求且测量速度快，但精度相对较低，对物体表面和光线敏感［2］。考虑到现有的鞋模样件情况，利用Laser－RE600型非接触式三维激光扫描仪，采用双CCD三角测量技术，结合单方向360°间接式旋转法获取鞋楦曲面的多片点云数据，并通过多视图自动拼合和重叠删除等操作，最终获得鞋模曲面点云数据如图1所示，共计点数185289个。

图1 鞋楦点云数据

3 数据处理

将扫描的鞋模数据保存为.asc格式，再导入到逆向软件Geomagic Studio［3］中进行数据处理。

3.1 数据拼合

由于采集的鞋模点云是分两次测量得到的独立数据，就必须先对2片点云数据进行拼合。为使两片点云数据拼接的完整，采用手动注册的方法对其进行拼接。选轮廓比较完整的上下面点云为拼接的固定位置，侧面点云作为浮动数据，并提取2片点云上特征比较明显的3个基点作为数据拼合的参考基准，最终拼接的鞋模点云如图2所示。

图2 鞋模数据拼合

3.2 数据采样与去除杂点

数据采样是在不影响模型基本特征的情况下，通过改变数据点之间的距离对采集的大量点云进行适量精简。鞋模点云精简后的点数从185289减少至55101个，如图3所示;杂点主要包括由光照、背景等引起的体外孤点，测量设备轻微振动引起的噪音点等。对于噪音点的去除采用评估相邻点间距取平均值的算法，删除那些大于噪音误差极限的点云，这个过程可通过系统计算出的噪音色谱图进行可视化判别，图4为系统计算的噪音色谱。

图3 数据精简

图4 噪音色谱图

4 曲面重构［4］

将处理完成的鞋模点云数据保存为.igs格式导入Pro/E软件中进行鞋模曲面的重构。在Pro/E系统中可通过由点云构造曲面来自动完成曲面重构，但由于鞋模数据中存在大量不规则的缺陷数据，故采用手动绘制出轮廓曲线再构造曲面的方法。

4.1 创建轮廓曲线

首先选取鞋模的最大刨面建立基准面，并绘制出第一条轮廓曲线，如图5所示，同理在其左右两侧建立2个基准面，并根据输入特征的轮廓分别在这2个基准面上绘制鞋模的轮廓曲线。

图5 最大截面轮廓曲线

为建立鞋模四周的轮廓曲面，必须先绘制出其对应特征的轮廓曲线。为此可先拉伸出折形曲面，并分别在这些平面上创建与刚才创建的3条曲线的交点，如图6所示;然后选取刚才创建的最大轮廓基准面为草绘平面，以创建的交点作为参照对象，创建鞋模四周的一段轮廓曲线，如图7所示，同理完成鞋模四周曲面的所有曲线。

图6 创建基准点

图7 四周面轮廓曲线

4.2 鞋模曲面重构

应用“边界混合”命令，选取鞋模最大刨面处创建的廓曲线作为第一方向线，参照曲面上创建的四周面轮廓曲线作为第二方向线，依次创建曲面;应用同样的方法，创建所有混合曲面，最后将所有混合曲面进行合并和光顺过度，最终效果如图8所示。

从创建的鞋模曲面模型看，其效果并不理想，表面存在很多不平整和非光滑过度等问题。因此可将重构好的模型再导入Geomagic软件做进一步的修复相交区域、细化和曲面光顺等处理，最终得到的鞋模曲面如图9所示。

图8 鞋模轮廓曲面

图9 最终的鞋楦模型

5 NC仿真加工

通用加工软件Mastercam X4可进行产品的模拟加工和自动编程［5］，验证数控加工程序的可靠性以及预测切削过程，这又对实际加工具有重要意义。

将重构完成的鞋模三维模型以曲面的形式保存为.igs格式，导入Mastercam X4软件中进行模拟加工。由于鞋模曲面比较复杂，若采用3轴铣削，则需要通过多次翻面才能完成加工。为减少装夹次数，节省加工时间，故采用5轴铣削加工，铣削方式选择螺旋走刀，直径为10 mm的球头铣刀，进给率为150 mm/min，主轴转速为2000 r/min，加工预留量为0.3，粗加工鞋模表面，其生成的刀路如图10所示。选择同样的铣削方式，改变铣刀直径为5 mm的，最大步进量为0.02，对鞋模进行半精加工，结果如图11所示。

图10 刀具路径

图11 鞋模仿真加工过程

完成数控仿真加工后，经过Mastercam系统的后处理模块对编程结果进行后处理，就可以输出NC程序用于实际加工，以下为部分NC数据。

6 小结

笔者成功将逆向工程技术应用到鞋模曲面的设计与制造中，完成了鞋楦母模曲面数据的三维激光扫描和鞋模点云数据的处理，鞋模曲面的重构及NC仿真加工，并得到了数控程序，提出了一套完整的鞋模逆向设计方法，这为以后鞋楦的设计与制造提供了新的思路。

［1］刑 健，付大鹏，郝德成.基于逆向工程的汽轮机叶片型面CAD［J］.机械设计与制造，2011(5):223 －224.

［2］罗 强.三维CAD系统叶片造型方法研究［J］.机械设计，2004，21(12):57－58.

［3］成思源，谢韶旺.Geomagic Studio逆向工程技术及应用［M］.北京:清华大学出版社，2010.

［4］张国亮.Pro/ENGINEER中文野火版逆向工程专家实例精讲［M］.北京:中国青年出版社，2007.

［5］文怀兴，巍乾新.基于Imageware和Proe的弧面凸轮逆向设计及NC 仿真加工［J］.机械传动，2012，36(11):113－115.