基于NX的齿轮泵逆向设计

刘帅 苗盈

摘  要：以齿轮泵为例介绍了逆向设计的方法和流程。首先使用三坐标测量机采集齿轮泵各个零件的点云数据，然后采用Siemens NX软件对齐点云数据进行逆向建模，最后使用3D打印机制作实物样品来验证逆向设计是否合理。通过逆向工程可以吸收先进技术，缩短产品开发周期，对产品的快速开发和改进创新具有一定的应用价值。

关键词：逆向设计;齿轮泵;3D打印;三坐标测量

中图分类号：U463.6        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）25-0044-03

Abstract： Taking gear pump as an example， the method and process of reverse design are introduced. Firstly， the point cloud data of each part of gear pump was collected by coordinate measuring machine. Then Siemens NX software was used for aligning point cloud data and reverse modeling. Finally， 3D printer is used to make physical samples to verify whether the reverse design is reasonable. The prototype of gear pump can be quickly restored through reverse design， on this basis the following product improvement and innovative design can be carried out， and the development cycle of gear pump can be shortened.

Keywords： reverse design; gear pump; 3D printing; three-coordinate measuring

1 概述

逆向工程技术是通过现代测量手段获取产品外形点云数据，进行数字模型重构并优化，完成设计意图，得到预期产品模型，最后利用先进制造技术制作模型样品，测试模型可用性的过程，广泛用于模具设计、快速成型等领域[1-3]。本文以齿轮泵为载体，使用三坐标测量机采集齿轮泵各个零件的点云数据，然后采用Siemens NX软件对齐点云数据并进行逆向建模，最后使用3D打印机制作实物样品来验证逆向设计是否合理，其逆向设计流程如图1所示。

2 数据采集

数据采集是从已有产品原型表面获取点云数据的过程[4]。点云数据采集是逆向设计的基础[5]。常见的数据采集方式有三坐标测量机采集和激光扫描仪采集两种，本文采用三坐标测量机对齿轮泵进行接触式数据采集。首先进行数据采集规划，其目的是使数据采集正确、高效。一般原则是：（1）顺着特征方向走，沿着法线方向采;（2）重要部位精确多采，次要部位适当取点;（3）复杂部位密集采点，简单部位稀疏采点;（4）先采外廓数据，后采内部数据[6]。

图2（a）所示为使用三坐标测量机采集上端盖数据的过程，图2（b）所示为采集得到的上端盖点云数据，将点云数据保存为IGES格式。齿轮泵其他零件的数据采集方法与上端盖类似。

3 数据对齐

导入到NX软件中发现齿轮泵各个零件的点云数据的位置关系不正确，如图3（a）所示。所以，必须进行点云数据对齐操作，对齐流程如图4所示。

第一步，对齐上端盖和泵体的点云数据。首先，选择上端盖底面上的点云数据创建一个平面。然后，将构成圆孔的点云数据投影到平面上，用这些投影点创建两个圆。最后，连接两个圆的圆心创建一条直线。上端盖坐标系的Z轴方向为平面的法向，X轴方向为直线方向，原点为直线的中点。用同样的方法创建泵体的坐标系。移动组成泵体的所有点云数据，使泵体的坐标系与上端盖的坐标系对齐。

第二步，对齐泵体和下端盖的点云数据。此时，不需要重新建立泵体的坐标系，只需将其移动至泵体与下端盖的安装面上，然后建立下端盖的坐标系。同样，移动下端盖的所有点云数据，使泵体的坐标系和下端盖的坐标系对齐。

最后用同样的方式，将底座的点云数据对齐到下端盖。对齐后的齿轮泵点云数据如图3（b）所示。

4 逆向建模

采用Siemens NX软件在点云数据的基础上对齿轮泵进行逆向设计，下面从过点精度、基准坐标系、成型特征和装配特征四个方面进行介绍。

4.1 过点精度

过点精度是指通过逆向设计创建的特征与点云数据的之間的偏差，是衡量逆向设计是否精确的重要指标之一。过点精度要求与特征类型有关，一般特征的过点精度要求在0.5mm以内，上端盖的顶平面、底平面和四周侧面是确定基准坐标系的重要依据，所以这些平面的过点精度要求在0.2mm以内。螺丝孔、齿轮轴安装孔等与装配有关的特征，过点精度要求在0.3mm以内。

4.2 基准坐标系

观察产品外观和点云数据，发现各个组件的顶平面和底平面均互为平行，且与内部结构近似垂直，所以上端盖、泵体、下端盖和底座四个组件共用一个基准坐标系，并将其确定在上端盖的顶面上。图5所示为最终创建的基准坐标系。

4.3 成型特征

上端面、泵体和下端盖的分型线均位于底平面上方2mm处。以分型线所在处的平面为工具，使用拆分体命令将整体拆分成两部分，分别进行拔模。为了满足模具成型工艺，保证产品能顺利的从模具中取出，在设计过程中设置脱模斜度。脱模斜度的大小可以参照点云数据，但必须保证脱模斜度≥0.5°。

4.4 装配特征

装配特征制作的要点如下：（1）各个零件之间的安装平面必须贴合;（2）上端盖、泵体、下端盖和底座上的螺丝孔的轴线必须一致，上端盖、泵体和下端盖上的齿轮轴安装孔的轴线也必须一致;（3）为了产品外形的美观，上端盖、泵体和下端盖的外轮廓形状保持一致;（4）设计完成后，利用Siemens NX软件的装配干涉功能检查各个零件之间是否存在干涉。

5 设计验证

为了验证逆向建模得到的齿轮泵模型的尺寸和结构是否正确，将齿轮泵模型导入到Cura软件中进行切片处理，然后以聚乳酸（PLA）为打印材料，采用熔丝堆积（FDM）3D打印机试制了齿轮泵的各个零件，如图6（a）所示。通过外观检验和装配验证，齿轮泵各个零件的尺寸及其装配关系正确，如图6（b）所示。

6 结束语

以齿轮泵为例详细介绍了逆向设计的方法和流程，包括数据采集、数据对齐、逆向建模和设计验证四个方面。通过逆向工程可以吸收先进技术，缩短产品开发周期，对产品的快速开发和改进创新具有一定的应用价值。

参考文献：

[1]李菲.基于逆向工程的塑料制品造型设计[J].塑料科技，2012，40（2）：76-79.

[2]王君，李文涛，程群超，等.基于逆向工程的产品设计研究[J].塑料科技，2019，5.

[3]秦旭红.逆向工程技术在箱体零件设计中的应用[J].现代制造技术与装备，2019（02）：34-35.

[4]谢骐.基于三坐标测量机的数据采集技术[J].机械研究与应用，2006，19（5）：59-60.

[5]徐连强.陶瓷产品逆向工程建模创新设计[J].轻工科技，2018，34（07）：83-84.

[6]朱建宁.面向制造的车钩几何反求方法研究[D].大连交通大学，2008.