Geomagic软件结合Pro/Engineer进行逆向设计

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在一个具有40年历史的旧图纸基础上逆向设计一个铁轨夯具铸件，而图纸与实际铸件相差很大。
2 I6 Y( R0 b  v- |, {. F使用扫描仪来捕捉所有的表面几乎是不可能的，因此就需要用一套新的办法来建立数字模型，并验证其准确性。最终产品是一套完整而准确的数字化模型，它可以用来制造新的铸件，其中包括型芯和型腔（要求必须在两周内交货）。在这个案例中，该要求被提到Advanced Simulation Technology（AST）公司，该公司享有能够根据客户需求利用相关技术解决问题的美誉。
9 }5 [, y, }  x/ |0 LAST公司为该项目提供了必要的创意，其核心要素来源于Geomagic软件，Geomagic软件能够在两周的期限内根据一个现实存在的夯具，创造出一个准确的数字模型。
$ Z9 s! K1 K5 ]. I: |" r客户的需求
HUB 公司接受了为美国北卡夏洛特南方铸造厂（Southern Casting）加工新的夯具铸造式样的任务。HUB公司与AST的主席Chip Potter先生合作，根据以往项目的经验，HUB公司知道Chip Potter先生具有能够创造性的应用某项技术的天赋。AST擅长于为设计和制造的目的来分析模型，其中涵盖两方面对HUB工程非常关键的领域：实体模型与数控加工的接口，以及对大型复杂的零部件扫描和表面处理。该夯具铸造项目从两个原始资源开始：一张40年前的旧图纸，一个现有的铸件。图纸只提供了基本的尺寸，但是却没有关于如何使样品从沙模中取出而不受损的拨模角度（draft angles）的相关信息。样品的内部特征、不同肋板的深度和倒角半径，图纸同样没有给定。
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AST 公司首先使用Capture3D的GOM ATOS IIe扫描设备来获取（搜集关于）铸件表面的3D信息（尺寸）。ATOS扫描设备利用白光将条纹式样照射到一个物体表面上，通过位于扫描仪传感头两侧的照相机来捕捉数据。AST公司大约会花费一天半的时间来完成扫描。这个操作过程非常辛苦，因为需要拿着300lb重的铸件不断的移动到所需的位置，以捕捉到尽可能多的表面数据。但是该铸件有非常多的表面缺陷（会被扫描仪捕捉到），而且边缘内表面和内孔的相关数据无法被捕捉到（见图1）。
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图1 AST使用Geomagic Studio软件来实现夯具铸件的逆向工程设计
8 \' s+ c) i9 S# A- m* Y将 ATOS扫描仪获得的多边形数据导入Geomagic Studio软件，将扫描数据转化成精确的模型，从而为下游的计算机辅助设计、辅助制造和辅助工程分析服务。AST利用Geomagic Studio软件对模型进行整理和补洞，使表面平滑，并且自动填充未被扫描设备捕获的部分。然后，从一个多边形模型生成一个NURBS曲面模型。但是，针对不同的工作要求，AST会采用不同的方法。AST没有生成曲面模型，而是用Geomagic Studio软件在合理猜测的基础上自动创建对称平面，然后通过平面截面（与此平面平行或垂直于对称平面）来截取整个模型。
截面提供给 Pro/ENGINEER用来定位调整以及用来确定尺寸和特征，原始图纸被用来作为一个概念性的参考。在该模型被逐渐精细化的过程中，AST将在Pro /ENGINEER和Geomagic Studio软件之间来回穿梭。Geomagic Studio软件将主要从事从模型上截取越来越小的正交切片，从2in(1in=25.4mm)逐渐减小到1/8in。随着模型不断的细化，通过Pro /ENGINEER来检查其细节并且进行调整。
随心编辑
史蒂夫·莱林斯基（Steve Lelinski）先生说：“之所以选择这种方法，最重要的原因就是它能为我们提供一个可供编辑的参数模型。除此以外，该零件必须结合扫描的数据和原始的图纸”。根据其观点，一个完成的曲面模型很难改变，而AST需要能够快捷方便地修改相关零部件的特征。假如我们的工作是建立曲面模型，在需要修改时，我们要么开始删除三角面片和重新构面，要么就拆解曲面，修改然后组合起来，而这两种办法都很慢而且很难做到”根据莱林斯基先生的说法，AST的分段切片的方法为自己创建了一个实用的模型，该模型既可以反映原设计图纸的意图，又能反映零部件实体的具体细节。而如果通过典型的扫描建面步骤，要实现这种组合模型是非常困难的，而且典型的表面扫描方式在应对变更时是非常费时的。他说：“通过使用Geomagic Studio软件截面功能和Pro/E中重建模型，我们可以实现将相关的特征部分从一开始就置于其正确的位置，而其所提供的尺寸和厚度都非常准确”。
截面模型的灵活性也使得拨模角度（draft angles）的确定变得更加容易。AST使用扫描的数据，来获取铸件表面顶部和底部的测量参数，然后通过一个数学运算计算出合理的角度。当交叉截面被用于模型时，拨模角度可以被调整。
8 J0 a/ X, P+ S& r. c逆向检测
AST的最后一个独创性，体现在其对成品模型的检测。这样一个过程，按照Chip Potter的说法被称为“逆向检测”，不同于典型的生成部件与CAD的检测，AST使用Geomagic Qualify软件用扫描数据来检测CAD模型（见图2）。
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图2  AST使用Geomagic Qualify软件来对Pro/ENGINEER的模型（从扫描数据到夯具铸件）进行“逆向检测”
) i: u9 P; ~# z1 q3 O由Geomagic Qualify软件自动生成的色差图让使用者很容易区分出CAD模型对扫描模型的偏差。总体而言，除了相关的内孔错位以及壁厚可变的问题以外，CAD模型是准确的。经过大约六次的迭代纠错，对拨模角度（draft angles）进行微调，确定铸造收缩，并进行重新检测，最终AST可以得到一个准确的模型。整个过程从扫描到加工再到验证确认，可以在分配的两周时间内完成。
捕捉久远的设计意图
0 ]7 u. v  ^8 y& s; X并没有一个好办法能够表明采用AST的操作流程可以节省多少时间。原因很简单，因为没有别的办法可以在一个合理的时间内实现对相关铸件的精确再造。Geomagic Studio软件进行1/8in的截面工作，相比来说手动测量需要数百次，而且要想实现对铸件曲面部分做出精确测量几乎是不可能的。三坐标测量机（CMM）并不适用于此，因为相关的探头将无法测量出铸件实体的偏移、收缩和翘曲。波特（Potter）先生说：“由于老图纸不能很好地反映实际铸件，因此没有别的办法能够这样节约高效地来完成这个任务。事实上，我们在获得这个项目前，别人也尝试过一些其他的办法，都以失败而告终。采用这种方法，在两周里我们就能够建立一个比较完善的参数化模型，而且该模型能够体现40年前的设计意图”（见图3）。
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图3  应用Geomagic Studio软件逆向设计一个实际的夯具铸件的最终Pro/ENGINEER参数模型
2 f6 Q0 k8 T( {" k) H最终完成的模型被送到HUB公司，在这里将其输入到SurfCam软件中，并进行修改，比如将型芯拉出来，并且为型腔创作分割线，然后生成与现实的铸件相匹配的模型。创建刀具路径然后将模型送往HUB公司的大型Johnford CNC数控机床进行切削。将最后的成品铸件清洗并喷漆，然后在30天的最后期限之前将其运送到南方铸造厂。【MechNet】
9 }: N7 _0 m! D% J文章关键词： 数控机床