基于Pro/E和MasterCAM的鞋楦反求与仿真加工

    现代产品的设计开发周期要求越来越短，产品需求出现小批量、多品种和个性化的特点。为了适应市场快速多变的情况，产品的开发较少采用全新设计，而借鉴已有产品进行改进设计则是快捷、实用的方法。逆向工程，亦称反求工程，它可以建立数字化技术文档，便于保存、修改和再设计，还可以还原和修补零件的损坏和磨损，重建产品实物的CAD模型以检测制造误差等，在汽车、航天、制鞋、模具和消费性电子产品等制造行业，甚至在医学领域逆向工程都有广泛应用。目前有四大应用比较广泛而相对专业的逆向工程软件：Imageware、Geomagic Studio、CopyCAD、RapidForm。一些CAD/CAM集成软件也开发了逆向工程的模块，集点云处理和三维造型于一体，Pro/E的逆向技术模块就是其中一种。

    Pro/SCAN-TOOLS模块是逆向工程的模块之一，利用它可专注于模型的特定区域，并使用各种工具获得所需形状曲面属性。小平面特征是Pro/E中一个主要的点云处理工具，密集点云可以在小平面特征中经过去杂、降噪和取样、补孔和清理等步骤的处理，最后生成适合用于下一步造型参考的小平面。重新造型是一个逆向工程环境，可用于在多面数据或三角形化数据的顶部重建曲面CAD模型。

    仿真软件MasterCAM是目前应用最广泛的CAD/CAM软件之一，可以满足一般产品的三维设计和数控加工自动编程。用其仿真实体的加工过程及结果，对于验证反求模型的精确性和可加工性，有着很重要的现实意义。

1 鞋楦的数字化

    鞋楦是制鞋的重要模具，我国有些制鞋企业还是采用手工制作样楦和简单的拷模加工方式，制楦周期长、质量差。

    将CAD/CAM技术应用于鞋楦设计制造中，将大大改变传统的鞋楦设计制造方式，缩短鞋楦生产周期，提高产品质量，显著缩短鞋楦设计开发周期，具有较高的应用价值。

    通过接触式或非接触式测量手段，如三坐标测量机、激光扫描仪等，采集鞋楦实体数据，可以完成鞋楦的数字化。鞋楦数字化后，可进行反求和模型重构，数字化的鞋楦模型便于再设计和再制造，不但可以提高生产效率，及时响应不断变化的市场需求，同时也保存了鞋楦数字档案，便于保存、交流和网络化制造；对模型进行数控加工自动编程，在实际加工前做虚拟仿真加工，可以节约上机加工时间和材料，验证鞋楦加工的可行性。

    本文将以鞋楦为例，运用Pro/E逆向技术中的小平面建模方法处理鞋楦点云并完成模型重构；再运用MasterCAM V9.O软件的四轴加工功能进行仿真加工。

2 Pro/E点云数据处理及建模

    本文是重庆市自然科学基金资助项目研究中的一部分，使用的鞋楦点云数据来自先前的研究成果“鞋楦检测及集成化制造系统的研究”。

    2.1 导入原始数据点集

    由于原始数据为文本文件，而Pro/E只能打开.igs、.ibl、.vda或.pts文件，因此，将原.txt文件编辑修改为.ibl格式文件，修改后的部分原文件如下：

    2.2 小平面建模

    小平面建模包括输入通过扫描对象获得的点集，纠正由于所用设备局限性而导致的点集几何中的错误，创建包络并纠正错误，创建多面几何并用多种命令编辑该几何，以精调完善多面曲面。

    进入Pro/E界面，设置好工作目录，新建零件，“插入”菜单中选择“小平面特征”，打开数据.ibl文件，选择坐标和单位(mm)，即得鞋楦点云原始模型如图1所示。

    图1 鞋楦点云原始模型

    由图1可见，鞋楦的头尾有多余的部分不属于鞋楦模型，使用点处理工具删除该部分点云；再对整个点云进行降噪处理：其中，自由生成模式适用于点云为自由形状或有机形状，相对于曲面曲率降低噪声；机械模式适用于机械形状或棱柱形状，会保留尖角和锐边，此处，选用前者。降噪后的包络会更光滑，并且反向的三角形数目大为减少。点云数目越多越有利于描述鞋楦的细节，但计算时间会较长，点云数目太少，又会导致细节丢失，所以使用工具栏中的“示例”功能，“按曲率抽样”，根据曲率大小来决定样点的多少，最终得到点云处理后鞋楦模型，如图2所示。

    图2 点云处理后鞋楦模型

    对点云进行必要的处理后，再进行包络，并生成小平面。这一阶段要完成凹陷部分的填充、粗调和精调等。由于点云测量不可避免会有点云缺失，在包络并生成小平面后会形成多余的三角平面和孔洞，因此需要手动删除不需要的小平面，减少三角形的数量而不损坏曲面的连续性和细节。利用填充工具，填充在扫描过程中引入的孔，尤其是鞋楦尾部和头部下表面测量数据丢失造成的孔洞。对于孔洞的填充，可以采用添加小平面命令，选取三个顶点便可生成一个三角形小平面。孔洞较大的部分在填充后，表面曲率很不理想，与实物的曲面属性相差较大，因此一定要进行精整，以光顺填充曲面。精整是通过增大小平面的密度和有选择地移动小平面的顶点来改善小平面模型的形状，可选择要精整的区域也可对整个模型进行精整操作。该命令会使选定区域更细节化，更平滑。另外，松弛命令是以迭代方式改变小平面顶点的坐标，从而平滑多面曲面，迭代次数越多，曲面就越平滑，但若迭代次数太多会改变原始扫描数据。精整和松弛命令使得模型变得更加平滑，但却会引入更多的小平面，因此，可采用分样命令减少小平面数量，根据设计要求，达到较优的模型精度和小平面数量。

    包络和小平面都是由三角面组成，而实际区别在于：包络阶段包含了所有原始点云的内部结构，虽然没有点云显示但系统内部保存了这些点云的数据结构；而小平面阶段就会把原始点云删掉，图3所示为小平面模型。

    图3 小平面模型