許汝真 索雙富 孟國(guó)營(yíng) 顧梓昆

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)〈北京〉機(jī)電學(xué)院，中國(guó) 北京100085；2.清華大學(xué)機(jī)械工程系，中國(guó) 北京100084；3.梓昆科技〈中國(guó)〉股份有限公司，浙江 杭州311200）

0 引言

反求工程(Reverse Engineering)是指用一定的測(cè)量手段對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)三維幾何建模方法重構(gòu)實(shí)物CAD模型過(guò)程。在目前日趨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下，反求工程在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，通過(guò)借鑒、繼承已有的知識(shí)和技術(shù)并在此基礎(chǔ)上發(fā)展新的產(chǎn)品，能夠縮短產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)周期，促進(jìn)技術(shù)的革新。是目前工業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一種常用手段。

反求工程的第一步就是得到實(shí)物外形數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)一些先進(jìn)的測(cè)量裝置進(jìn)行收集，也可以采用人工測(cè)量的方式得到。目前市面上有許多以提供實(shí)體模型數(shù)字化的工程公司。他們依靠圖像采集設(shè)備得到實(shí)物的三維基本模型，再通過(guò)少量的人工修補(bǔ)，得到達(dá)到一定精度，另用戶滿意的數(shù)字化模型。這種方式簡(jiǎn)單高效，然而，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)其存在以下問(wèn)題：

1）進(jìn)行數(shù)字化建模的參考實(shí)物是經(jīng)過(guò)加工制造得到，其本身存在著加工誤差、加工缺陷、變形等問(wèn)題，而三維數(shù)字化建模設(shè)備得到的三維模型并不能排除加工誤差，更不能將加工缺陷從特征中去除，同時(shí)也無(wú)法判斷實(shí)物是否發(fā)生過(guò)變形，得到的三維數(shù)字化模型完全是對(duì)實(shí)物的拷貝，對(duì)此類零件進(jìn)行虛擬裝配無(wú)法達(dá)到預(yù)期裝配結(jié)果，對(duì)此類零件進(jìn)行加工生產(chǎn)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)其預(yù)期功能。

2）對(duì)數(shù)字化建模設(shè)備直接得到的三維模型和實(shí)體進(jìn)行測(cè)量比較，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備數(shù)字化建模過(guò)程本身存在誤差，且部分誤差遠(yuǎn)超過(guò)其預(yù)期的誤差范圍。這樣，為了保證關(guān)鍵部位的建模精度，我們需要進(jìn)行反復(fù)的人工校對(duì)和重新建模。

3）高精度的數(shù)字化建模設(shè)備成本高昂等。

同樣，人工直接測(cè)量的方式也存在一些問(wèn)題：

1）無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)繪不規(guī)則曲面。

2）難以實(shí)現(xiàn)大型零件的精準(zhǔn)測(cè)繪。

3）從測(cè)量到建模完成花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，工作效率比較低。

但是，人工測(cè)繪的方式存在著數(shù)字化設(shè)備建模無(wú)法取代的智能、靈活、分析的優(yōu)勢(shì)而在一些企業(yè)中得到應(yīng)用。其優(yōu)勢(shì)在于測(cè)繪人員在對(duì)零件測(cè)繪的過(guò)程中能夠反復(fù)琢磨、理解、分析產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想，有利于在原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。同時(shí)，在測(cè)繪過(guò)程中，測(cè)繪人員能夠理解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖，人為地排除因加工零件或安裝變形產(chǎn)生的誤差等不利因素。

Solidworks具有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)零件建模、虛擬裝配、仿真、工程圖繪制等從設(shè)計(jì)到仿真的一系列功能，因此在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特別是家電行業(yè)、塑料模具行業(yè)，是一種首選的工具平臺(tái)。本文以ATM機(jī)中某功能模塊為例，對(duì)Solidworks在反求設(shè)計(jì)中的應(yīng)用開(kāi)展相關(guān)的研究。

1 零件建模

從零件繪制難易角度出發(fā)，將ATM機(jī)中的零件劃分為以下幾類：鈑金件，塑料件，軸和輪類零件，齒輪和皮帶。

其中以鈑金件和塑料件的結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，就總體結(jié)構(gòu)而言，鈑金件通常承擔(dān)著支撐、定位等功能，其上分布大量孔、槽、折彎等特征，在繪制的過(guò)程中，除了要保證特征的完整之外，更要保證特征位置的準(zhǔn)確度；塑料件大部分為走鈔通道板，為了實(shí)現(xiàn)走鈔的流暢，塑料件往往形式多樣，包含大量曲面以及不規(guī)則特征。下面對(duì)這幾類零件的繪制分別說(shuō)明。

1.1 鈑金件的繪制

Solidworks中有專門(mén)的鈑金繪制工具，包含基體法蘭，轉(zhuǎn)換到鈑金，放樣折彎，邊線法蘭，斜接法蘭，褶邊，轉(zhuǎn)折，折彎等功能。鈑金件上特征多且復(fù)雜，因此按照一定的繪制順序能夠使鈑金件的繪制事半功倍。首先，繪制基體法蘭，選取鈑金件中的主干部分進(jìn)行繪制。然后，在主干的基礎(chǔ)上，繪制折彎特征，主要通過(guò)鈑金工具欄中的邊線法蘭和斜接法蘭實(shí)現(xiàn)。在這里值得一提的是，邊線法蘭在生成折彎時(shí)，只能夠形成平面類折彎（圖1），而斜接法蘭則可以通過(guò)繪制特征橫斷面（圖2）來(lái)形成包含曲面或具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的折彎（圖3）。最后，通過(guò)拉伸切除等工具，對(duì)鈑金件上的孔、槽類特征進(jìn)行繪制。按這樣的順序可以避免特征的遺漏，同時(shí)便于特征的查找和修改。

圖1 邊線法蘭

圖2 特征橫斷面

圖3 包含曲面的折彎

1.2 塑料件的繪制

為保證塑料件的強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)時(shí)，通常增加筋板類特征，這也是導(dǎo)致塑料件（圖4）特征復(fù)雜的原因之一。因此，在繪制塑料件時(shí)，首先通過(guò)拉伸工具繪制出塑料件的最大外形輪廓。然后，通過(guò)拉伸切除，去除多余材料，形成準(zhǔn)確的外形輪廓特征，并利用抽殼等工具，完成筋板類特征的繪制。最后，利用拉伸切除等工具，進(jìn)行孔類和槽類特征的繪制。

圖4 含有復(fù)雜筋板特征的塑料件

1.3 軸和輪類零件的繪制

軸和輪類零件一般為回轉(zhuǎn)體，特征簡(jiǎn)單，形狀規(guī)則。一般利用拉伸的方式就可生成。特殊的，直徑變化的滾輪，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)工具，先生成旋轉(zhuǎn)輪廓曲線（圖5），再使其繞軸旋轉(zhuǎn)360°即可（圖6）。

圖5 旋轉(zhuǎn)輪廓曲線

圖6 滾輪模型

1.4 齒輪和皮帶類零件的繪制

齒輪有標(biāo)準(zhǔn)齒輪和變位齒輪，在繪制的時(shí)候，可以在Solidworks中利用公式繪制出齒輪的漸開(kāi)線齒廓，通過(guò)圓周陣列對(duì)單個(gè)齒廓進(jìn)行復(fù)制，生成所需齒數(shù)，最后經(jīng)過(guò)拉伸就可繪制出齒輪立體模型。但是這種方法較為復(fù)雜。利用Solidworks插件geartrax軟件（圖7），通過(guò)定義齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、變位系數(shù)等參數(shù)，可以快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)齒輪或變位齒輪的繪制（圖8）。皮帶的繪制是在裝配體中，當(dāng)皮帶輪的位置確定后，在裝配體中，通過(guò)“插入——裝配體特征——皮帶/鏈”，出現(xiàn)皮帶/鏈設(shè)計(jì)的工具框，選擇皮帶輪與皮帶接觸的表面，選擇生成皮帶零件并確定，即可生成皮帶輪廓，在裝配體的設(shè)計(jì)樹(shù)中打開(kāi)生成皮帶零件，對(duì)草圖輪廓進(jìn)行拉伸，生成薄壁特征，完成皮帶繪制（圖9）。

除此之外，在零件繪制中還需注意的幾個(gè)問(wèn)題：1）草繪基準(zhǔn)面的選擇。對(duì)于結(jié)構(gòu)對(duì)稱的零件（例通道板、傳動(dòng)軸等），盡量以右視面作為其對(duì)稱面，便于裝配；對(duì)于不對(duì)稱的零件（例支架板），盡量根據(jù)其在裝配體中的位置，選擇與裝配體中整體基準(zhǔn)相同的基準(zhǔn)面作為草繪基準(zhǔn)面。2）草繪的完全定義。Solidworks軟件不同于其他軟件的特點(diǎn)之一就是當(dāng)草繪欠定義時(shí)（圖10），仍然可以退出草繪并對(duì)該草繪進(jìn)行拉伸等操作。這樣產(chǎn)生的后果就是：當(dāng)完成建模后，若對(duì)模型中某一特征的草繪進(jìn)行修改，其他特征會(huì)由于其自身草繪欠定義而在修改時(shí)同時(shí)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致整體的建模失敗。因此，在草圖繪制后，應(yīng)對(duì)草圖中的每個(gè)線條增加尺寸標(biāo)注或約束，使其完全定義（圖11），然后再對(duì)草圖進(jìn)行拉伸等操作。

圖7 geartrax插件操作界面

圖8 geartrax插件生成的齒輪模型

圖9 皮帶模型

圖10 欠定義的草繪

圖11 完全定義的草繪

2 虛擬裝配

ATM機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在裝配時(shí)，通常需要注意以下問(wèn)題：

1）裝配順序：從制造、加工的角度看，任何機(jī)械都是由若干單獨(dú)加工制造的單元體——零件組裝而成。但是從機(jī)械實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)和功能的角度來(lái)看，并不是每個(gè)零件都獨(dú)立起作用。每一個(gè)獨(dú)立影響機(jī)械功能并能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的單元體稱為構(gòu)件。構(gòu)件可以是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的零件，但有時(shí)為了結(jié)構(gòu)和工藝上的需要，常將幾個(gè)零件剛性地聯(lián)接在一起而組成構(gòu)件。因此在虛擬裝配時(shí)，通常是先進(jìn)行構(gòu)件的裝配，然后再將構(gòu)件安裝到功能模塊中，最后在實(shí)現(xiàn)由功能模塊到整機(jī)的裝配。這樣裝配的好處在于各部分的裝配關(guān)系一目了然，便于查錯(cuò)和修改。

2）配合參考的選擇：（1）機(jī)架類零件是固定的，因此在裝配時(shí)，應(yīng)首先確定機(jī)架類零件的位置，選擇配合參考時(shí)，盡量選擇虛擬基準(zhǔn)面（即前視，右視，上視基準(zhǔn)面）。（2）構(gòu)件裝配時(shí)，通常要根據(jù)該構(gòu)件與機(jī)架或其他構(gòu)件產(chǎn)生的配合關(guān)系，選擇運(yùn)動(dòng)副中相接觸的實(shí)體表面（例如面、孔等）作為配合參考。

3）測(cè)繪基準(zhǔn)選擇：測(cè)量零件的基準(zhǔn)，盡量和裝配基準(zhǔn)一致，這樣一是可以比較方便的測(cè)量大部分尺寸，再就是避免測(cè)繪基準(zhǔn)與安裝基準(zhǔn)不同而導(dǎo)致的誤差。

4）干涉檢查：完成一個(gè)組件的裝配后，要進(jìn)行干涉檢查。在command manager中，選擇“評(píng)估”欄目中的“干涉檢查”，可以檢測(cè)出裝配體是否發(fā)生干涉以及干涉區(qū)域的大小。干涉檢查可以迅速準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)零部件實(shí)體在裝配時(shí)結(jié)構(gòu)上相互沖突的地方，便于設(shè)計(jì)人員對(duì)零部件修改，同時(shí)可以避免實(shí)際生產(chǎn)加工時(shí)因干涉問(wèn)題造成的安裝問(wèn)題。

3 工程圖繪制

Solidworks可以實(shí)現(xiàn)直接由三維圖到工程圖的轉(zhuǎn)換。選擇“文件”中“從零件制作工程圖”或“從裝配體制作工程圖”可以進(jìn)入工程圖繪制，同時(shí)還可進(jìn)行尺寸的標(biāo)注等一系列操作。在保存工程圖文件時(shí)，選擇不同的保存格式（例：dwg，dxf等）還可實(shí)現(xiàn)測(cè)繪數(shù)字模型與其他制圖軟件或分析軟件之間的數(shù)據(jù)交換。

4 結(jié)論

利用Solidworks軟件可以很好地實(shí)現(xiàn)從零件建模到虛擬裝配再到虛擬樣機(jī)的檢查分析等一系列功能，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，為樣機(jī)的制造提供保障，減少資源浪費(fèi)，縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。

利用人工測(cè)繪與數(shù)字化建模設(shè)備測(cè)繪的混合工作模式，可以提高工作效率，和測(cè)繪精度。讓設(shè)計(jì)、測(cè)繪人員將更多的精力放在基準(zhǔn)分析、精度要求、誤差設(shè)定、材料選擇與性能指標(biāo)要求、制造工藝過(guò)程選擇等技術(shù)核心工作。而不是重復(fù)的測(cè)量基礎(chǔ)工作。

［1］蔡勇.反求工程與建模[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

［2］胡仁喜,劉昌麗,等.SolidWorks 2013中文版從入門(mén)到精通[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

［3］北京兆迪科技有限公司.SolidWorks鈑金件與焊件教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

［4］申永勝.機(jī)械原理教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999.