三维数字化设计与制造 课件 项目1 FIFA世界杯奖杯工艺品

《三维数字化设计与制造》任务1数据采集软硬件选配：桌面式扫描仪EinScan-S（配套扫描软件）注意事项：对于透明、反光物体不能直接扫描，需先进行喷粉处理。以大力神杯工艺品为例。首先采用原物进行直接扫描，实物表面亮闪闪，会反光，扫描效果极其不理想。扫描一遍后，仅获得420个点，需喷反差增强剂后再进行扫描。图1-3需喷反差增强剂前后扫描结果对比目录标定1扫描2该项目，从网上购买一个大力神杯模型，进行模型扫描、成型，并在UG软件中完成数控仿真加工。图1-2项目器材1.2.1标定首次安装软件后，选择设备类型，点击“下一步”，会自动进入标定界面，标定界面如图1-5所示。图1‑5标定界面首先根据软件向导提示，调整好投影仪与标定板之间的距离，扫描仪十字对准标定板，十字清晰。第一组平放标定板，摆放的方位需与图示的方位一致。如图15所示将标定板放置在转台中心位置。确保标定板放置平稳且正对测头后点击“采集”，转台自动旋转一周采集数据，采集过程中请勿移动标定板。采集完毕后转台停止不动，软件界面显示进行B标定，如图16所示。图1‑6软件界面显示进行B标定如图1‑7所示，将标定板从标定板支架上取下，将标定板逆时针旋转90º，嵌入标定板支架槽中。注意：只反转标定板，标定板支架不动。图1‑7B标定时标定板摆放位置B标定完成后进入C标定，将标定板从标定板支架上取下，将标定板逆时针旋转90度，嵌入标定板支架槽中，如图1‑8所示。图1‑8C标定时标定板摆放位置采集完成，进行标定计算，如图1‑9所示。图1‑9标定计算标定成功，会自动返回扫描界面。如果提示标定失败，请按照上述步骤，重新进行标定。初次标定时，必须按照流程标定完。以下情况需要再次进行标定：①扫描仪初次使用，或长时间放置后使用；②扫描仪在运输过程中发生严重震动；③扫描过程中频繁出现拼接错误、拼接失败等现象；④扫描过程中，扫描数据不完整，数据质量严重下降。2.2扫描（1）将大力神杯工艺品放置在转台上，如图1‑10所示。调整设备与物体间距至合适工作距离（290~480mm），投影出的十字，在扫描物体上清晰为最佳扫描距离。图1‑10将大力神杯工艺品放置在转台上（2）打开桌面式扫描仪EinScan-S的配套扫描软件，选择设备为【EinScan-S】后单击【下一步】，如图1‑11所示。图1‑11选择扫描设备（3）选择扫描模式为【转台扫描】后单击【下一步】，如图1‑12所示。图1‑12选择扫描模式（4）点击【新建工程】后输入工程名，如图1‑13和图1‑14所示。图1‑13新建工程图1‑14输入工程名称（5）单击【非纹理扫描】后单击【应用】，如图1‑15所示。图1‑15选择非纹理扫描（6）根据物体的明暗，选择合适的亮度设置，可以在左侧预览窗口中时时查看当前亮度，呈现白色或者稍许泛红为宜。这里设置为最亮，如图1‑16所示，单击【应用】。图1‑16调整亮度7）扫描次数为默认值，即8次。单击【扫描】扫描过程中请勿移动物体和设备，如图117所示。

按钮开始扫描，图1‑17扫描中（8）扫描结束后界面如图1-18所示，屏幕下方出现一组编辑工具，这四个工具从左到右分别表示：①撤消选择；②反选；③删除选中；④撤销删除。每扫描一组数据，可对当前扫描的单组数据进行编辑，可删除数据多余部分或杂点，数据和标志点均可进行编辑。单击右下方的按钮保存扫描数据。（9）观察发现由于大力神杯工艺品的顶部已经超出相机范围，没有扫描获得该部分的数据。需调整大力神杯工艺品继续进行扫描，将其平放在转台上，如图1-19所示。图1‑19调整大力神杯在转台上的摆放方位（9）单击【扫描】按钮继续扫描。图1‑20继续扫描（11）扫描结束后单击界面右下方的

按钮，两组扫描数据会自动拼接在一起，如图1-21所示。图1‑21数据自动拼接（12）数据扫描完成后，单击【生成网格】按钮可对数据进行封装处理，包括封闭和非封闭两种模式。封闭封装可直接用来3D打印模型。该模型选择【封闭模型】，如图1-22所示。图122选择封闭模型然后选择【高细节】，如图1‑23所示。图1‑23选择高细节软件会显示数据封装的进度，如图1‑24所示。图1‑24数据封装中封装结束后会出现数据后处理对话框。这里不对数据进行简化，直接单击【应用】，如图1‑25所示。图1‑25数据后处理对话框开始数据后处理，由于数据较多需等待一定时间，如图1‑26所示。图1‑26数据后处理中后处理结束后，保存模型数据为STL格式，如图1‑27所示。图1‑27另存为STL文件随后出现数据尺寸缩放窗口，如图1‑28所示，这里缩放比例保持默认值100，即不缩放数据。数据尺寸缩放只对扫描数据体积尺寸进行缩放，不会减少三角面片的数量以及数据的大小。图1‑28数据尺寸缩放窗口《三维数字化设计与制造》感谢聆听《三维数字化设计与制造》任务2数据处理分析实物模型，由于实物本身制造较为粗糙，且曲面较多。因此，选择GeomagicDesignX作为数据处理软件。（1）导入之前扫描生成的大力神杯工艺品的STL文件，如图1-29所示。图129导入数据（2）需确定基准，首先创建一个平面。方法为【选择多个点】，选择大力神杯模型底面上的3个点创建一个平面。点击【OK】按钮，完成平面的创建，如图1‑30所示。图1‑30创建平面（3）创建一条线，方法选择【检索圆柱轴】，四周都选一些，使生成的线在居中位置，如图1‑31所示。图1‑31创建线（4）接下来进行对齐操作，选择【手动对齐】，如图1‑32所示。图1‑32手动对齐点击【下一阶段】，如图1‑33所示。图1‑33点击下一阶段选择【X-Y-Z】。【位置】选择之前创建的平面以及线（注意：选择一个后，需按住Ctrl键再选择另外一个特征）。【Z轴】选择之前创建的平面，并根据实际情况点击Z轴后面的反向，翻转Z轴，如图1‑34所示。图1‑34指定位置与Z轴进行手动对齐点击【OK】完成坐标系对齐，使工件放置于绝对坐标系下，如图1‑35所示。图1‑35点击确定完成手动对齐（5）切换至多边形功能，由于数据量较大，首先通过【消减】功能进行消减。消减至50%，点击【OK】完成消减（因电脑性能差异，所需的时间会有所区别，普通性能的电脑一般需要几分钟的时间），如图1‑36所示。图1‑36将面片消减至50%（6）默认快捷键状态下，按【F8】（边线渲染），进行放大观察面片，发现三角面片并不均匀，如图1‑37所示。图1‑37观察发现面片不均匀（7）通过【面片的优化】命令，对面片进行优化。可保持默认值，点击【OK】按钮，进行面片优化，如图1‑38所示。（优化过程同样需耗费一定时间，需耐心等待）图1‑38进行面片优化（8）再次观察发现三角面片与之前相比，已经较为规则匀称。按【F7】（渲染）切换回渲染状态，如图1‑39所示。图1‑39观察优化后的面片（9）通过【加强形状】命令，进行锐化、整体平滑，如图1‑40所示。图1‑40通过【加强形状】进行锐化、整体平滑（10）加强形状后，观察发现有小凸点，采用【删除特征】命令，在套索选择模式下，选取凸点特征。点击【OK】按钮，删除凸点特征。其他凸点特征的处理方法相同，如图1‑41、图1‑42、图1‑43所示。图1‑41【删除特征】命令图1‑42删除凸点特征前后对比图1‑43其余位置凸点特征删除（11）选择【曲面创建】中的【自动曲面创建】功能，点击【下一阶段】，如图1‑44所示。图1‑44自动曲面创建自动计算完成后观察整体的面片状况，是否有出错处。观察发现线框基本符合要求。确认无误后点击【OK】进行曲面创建，如图1‑45所示。图1‑45其余位置凸点特征删除完成后，可以观察到左侧的【树】中会生成一个实体，如图1‑46所示。图1‑46生成实体（12）右键实体，选择【输出】。至此完成整个生成自由曲面的操作，如图1‑47所示。图1‑47在实体上右键，输出x-t模型《三维数字化设计与制造》感谢聆听《三维数字化设计与制造》任务3加工编程目录1.3.1初始设置11.3.2大力神杯粗加工21.3.3大力神杯二次开粗31.3.4大力神杯半精加工41.3.5大力神杯精加工51.3.6仿真加工61.由于该模型没有基准，首先需创建基准。直接在原点上创建基准，如图1-48所示。图148创建基准1.3.1初始设置2.通过【拉伸】命令，在XC-YC平面绘制一个圆，圆需包覆住整个零件，直径取整数80mm，拉伸的高度需包住整个工件，输入200mm。拉伸出一个80×200的圆柱毛坯，如图1‑49所示。图1‑49创建毛坯3.零件由于需要装到机床上，下面需要装夹部分。同样采用【拉伸】的方法进行创建，在XC-YC平面绘制一个直径50mm的圆。向下拉伸100mm，布尔运算选择【无】，如图1‑50所示。图1‑50创建检查体4.可通过点击【编辑对象显示】命令或者直接采用快捷键【Ctrl+J】，将毛坯几何体及夹具进行适当更改颜色及透明度，如图1‑51所示。图1‑51更改颜色及透明度5.接下来需创建驱动面。通过【旋转】命令，选择XC-ZC平面，如图1‑52所示。图1‑52选择草图面绘制相对接近零件的草图，需注意草图上部的圆弧终点及圆心需约束在坐标轴上，如图1‑53所示。图1‑53约束圆心在坐标轴上适当进行调整，使其接近工件，如图1‑54所示。图1‑54适当调整草图矢量选择Z轴方向，点指定坐标原点。该旋转所得的几何体作为多轴加工时的驱动几何体，如图1‑55所示。图1‑55旋转草图生成驱动体6.接下来，进入加工模块，如图1‑56所示。图1‑56进入加工模块7.在进入加工模块时，加工环境设置时，将要创建的CAM设置为【mill_contour】，即轮廓铣模板。8.进入后切换至【几何视图】（功能区环境下位于导航器上部，经典工具条环境位于导航器下方），并展开。有坐标系几何体和工件几何体，如图1‑57所示。图1‑57几何视图9.先进行工件的设置，双击【WORKPIECE】。需指定部件、毛坯和检查，如图1‑58所示。图1‑58工件设置由于部件包的内部，可以先指定毛坯，如图1‑59所示。图1‑59指定毛坯再指定检查几何体，如图1‑60所示。图1‑60指定检查体为方便选择可以将拉伸体与旋转体隐藏，再指定部件，如图1‑61所示。图1‑61隐藏后方便选择点击确定，完成工件设置，如图1‑62所示。图1‑62工件设置完成10.分析该零件在做粗加工时，实际上是正面进行一次粗加工，旋转180°后，再进行一次粗加工。可以去除大部分的残料，如图1‑63所示。图1‑63分析工件11.需创建坐标系的几何体。点击【创建几何体】，几何子类型选择【MCS】，位置几何体选择【WORKPIECE】，如图1‑64所示。图1‑64创建几何体再指定MCS。将坐标系旋转至下图所示（Z轴向上，X轴朝向顶端），如图1‑65所示。图1‑65MCS设置在细节中，将特殊输出改为【使用主MCS】。安全距离设为100，如图1‑66所示。图1‑66MCS参数设置至此，创建出第一个坐标系几何体，如图1‑67所示。图1‑67完成坐标系几何体12.再创建第二个坐标系几何体。与之前的创建方法相同。点击【创建几何体】，几何子类型选择【MCS】，位置几何体选择【WORKPIECE】，如图1‑68所示。图1‑68创建几何体再指定MCS。将坐标系旋转至下图所示（Z轴向下，X轴朝向顶端，需保证Z轴与之前的坐标相反），如图1‑69所示。图1‑69旋转坐标系在细节中，将特殊输出改为【使用主MCS】。安全距离设为100。至此，完成几何体的设置，如图1‑70所示。图1‑71MCS设置1.3.2大力神杯粗加工1.粗加工采用型腔铣的方法，即固定轴等高加工的方法。此方法为去除效率最高，编程也较为简单的一种方式。点击【创建工序】按钮，如图1‑72所示。图1‑72点击创建工序类型为【mill_contour】，选择工序子类型为【型腔铣】。刀具无，暂未添加。几何体选择【MCS-1】（之前创建的几何体）。单击确定进入型腔铣的设置，如图1‑73所示。图

1‑73创建工序对话框2.在型腔铣工序的设置中，几何体之前已经指定完成。需新建刀具。点击【新建】按钮，创建一把t1刀具D10R1。刀具长度设为150，如图1‑74所示。图1‑74创建D10R1刀具给刀具装上夹持器。可直接从库中选择，如图1‑75所示。图1‑75添加夹持器3.接下来进行刀轨设置。将切削模式改为【跟随周边】，每刀切削深度最大距离改为1mm，如图1‑76所示。图1‑76刀轨设置4.接下来设置【切削层】。由于毛坯是80mm，因此初始深度为80mm。由于分两半进行切削，并考虑两边切削保证中间不留残余，将深度设为42mm（适当大于40mm即可），如图1‑77所示。图1‑77切削层设置5.再设置【切削参数】，勾选【策略】中的【岛清根】。在【余量】中将余量设为0.5mm，如图1‑78所示。图1‑78切削参数设置6.其中【非切削移动】按默认值，接下来设置【进给率和速度】，将主轴转速设为6000，切削进给率设为1500。输入后点击主轴转速后的【基于此值计算进给和速度】，如图1‑79所示。图1‑79非切削移动设置7.参数设置完成后，点击【生成】按钮生成刀轨。生成刀轨的过程会需要一段时间，计算完成后将显示刀路轨迹。这个生成的刀轨将会切除上半部分，完成半边的粗加工，如图1‑80所示。图

1‑80生成刀轨8.下面半边的粗加工同理。将之前创建的型腔铣工序进行复制，在【MCS-2】中进行内部粘贴，如图1‑81所示。图1‑81复制刀轨9.双击复制的刀轨，进行编辑。需编辑的主要是【切削层】。切削深度会自动变为80mm，需手动修改成42mm，如图1‑82所示。图1‑82切削层设置10.其余参数不变，点击【生成】按钮生成刀轨，如图1‑83所示。图1‑83生成刀轨11.至此两个半边的粗加工就完成了。可以通过【确认刀轨】，进行【3D动态】仿真。以查看切削效果，如图1‑84、图1‑85所示。图1‑84确认刀轨图1‑853D动态仿真1.3.3大力神杯二次开粗1.粗加工后，有较多地方有较大的残余量。再创建一个【剩余铣】工序进行铣削，如图1‑86所示。图1‑86开粗后余量较大2.点击【创建工序】按钮。类型为【mill_contour】，选择工序子类型为【剩余铣】。几何体为：MCS-1。单击确定进入剩余铣的设置，如图1‑87所示。图1‑87剩余铣3.在剩余铣工序的设置中。需新建刀具。点击【新建】按钮，创建一把6mm的球刀。刀具长度设为125，如图1‑88所示。图1‑88创建直径6mm球刀给刀具装上夹持器。可直接从库中选择，如图1‑89所示。图1‑89添加夹持器4.再修改刀轨设置中的参数，如图1‑90所示。图1‑90刀轨设置5.设置【切削层】，深度设置适当大于开粗时的深度，设为44mm，以保证切除效果，如图1‑图1‑91所示。图1‑91切削层设置6.再设置【切削参数】，将余量设为0.3，如图1‑92所示。图1‑92切削参数余量设置7.接下来设置【进给率和速度】，将主轴转速设为6000，切削进给率设为1000。输入后点击主轴转速后的【基于此值计算进给和速度】，如图1‑93所示。图1‑93进给率和速度设置8.参数设置完成后，点击【生成】按钮生成刀轨。生成刀轨的过程会需要一段时间，计算完成后将显示刀路轨迹。这样加工后余量会较为均匀，如图1‑94所示。图1‑94生成刀轨9.另一侧的加工方法同理。将创建的剩余铣工序进行复制，在【MCS-2】中进行内部粘贴，如图1‑95所示。图1‑95复制刀轨10.双击复制的刀轨，进行编辑。将【切削层】中的切削深度修改成44mm，如图1‑96所示。图1‑96切削层设置11.其余参数不变，点击【生成】按钮生成刀轨，如图1‑97所示。图1‑97生成刀轨12.至此，二次开粗完成，尽可能减少凹槽中的余量，如图1‑98所示。图1‑98二次开粗完成11.可以通过【确认刀轨】，进行【3D动态】仿真。以查看切削效果，整体余量较为均匀，粗加工部分完成，如图1‑99所示。图1‑99确认刀轨1.3.4大力神杯半精加工1.由于粗加工采用固定轴的方式，部分区域会留下不均匀且较多的残余量。需使用多轴加工的方式进行半精加工。点击【创建工序】按钮，类型选择【mill_multi-axis】，工序子类型选择【可变轮廓铣】，刀具选择B6球刀，几何体选择工件几何体，如图1‑100所示。图1‑100创建可变轮廓铣工序2.在可变轮廓铣工序中，几何体已经制定完成，需指定驱动方法。选择【曲面】驱动方法，如图1‑101所示。图1‑101驱动方法选择曲面指定驱动几何体（之前已经创建），如图1‑102所示。图1‑102驱动方法选择曲面点击【显示】查看点分布情况。现在为竖向分布需修改切削方向，需修改为一圈一圈往上饶的形式，如图1‑103所示。图1‑103观察切削方向点击【切削方向】进行修改。选择驱动方向，如图1‑104所示。图1‑104切削方向修改再次点击【显示】进行观察。如果采用【数量】方式，两个面的宽度相差较多，会出现一边较密集一边行数较少的情况。因此，将切削模式改为【单向】（保证按同一方向进行旋转，不会出现一圈正转一圈反转的情况），将布局改为【残余高度】，最大残余高度设为0.1。再次点击预览中的【显示】按钮，为方便观察可将旋转体隐藏。点击确定，完成驱动方法设置，如图1-105所示。图1‑105驱动方法设置3.接下来，进行可变轮廓铣中较为重要的【刀轴】设置。在此零件的加工中，选择【垂直于驱动体】的方法，即刀轴均垂直于驱动面，如图1‑106所示。图1‑106刀轴设置4.接下来进行【切削参数】的设置，将余量设置为0.1，如图1‑107所示。图1‑107切削参数设置5.再设置【非切削移动】，将进刀改为【无】，退刀为【与进刀相同】，将【转移/快速】中，区域间的逼近方法、离开方法改为【无】，移刀方法改为【光顺】。区域内的移刀方式为【直接】，如图1‑108所示。图1‑108非切削移动设置设置6.再设置【进给率和速度】。输入主轴转速8000，切削进给率1200。输入完成后，点击主轴转速后的【基于此值计算进给和速度】按钮，如图1‑109所示。图1‑109进给率和速度设置7.点击【生成】按钮生成刀轨，如图1‑110所示。图1‑110生成刀轨8.点击【刀轨确认】进行切削模拟仿真，如图1‑111所示。图1‑111确认刀轨9.半精加工后，可以观察到模型的基本形状，但还留有一定的余量，特别是一些凹坑中余量可能还较大。因此还需要更精细的精加工，来完成零件最终的精加工，如图1‑112所示。图1‑112半精加工完成1.3.5大力神杯精加工1.点击【创建工序】按钮，工序子类型依旧选择【可变轮廓铣】，不选择刀具，后续进行创建，如图1‑113所示。图1‑113创建工序2.进入可变轮廓铣工序，需新建刀具。点击【新建】按钮，创建一把名称为t3-b2的2mm的球头铣刀。球直径为2，长度为25，刀刃长度为12。刀具编号为2。定义刀柄，指定刀柄直径为6，长度为100。再调用夹持器，将偏置值设为20。点击确定完成刀具的创建，如图1‑114所示。图1‑114创建2mm球刀3.接下来进行驱动方法的设置。选择【曲面】驱动方法。驱动体与切削方向的指定与粗加工相同。将切削模式改为【螺旋】（为螺旋式下降，没有层间的切换），将布局改为【