逆向工程的产品快速开发精度分析与控制

2 基于逆向工程的产品快速开发精度分析

2.1 基于逆向工程的产品快速开发精度

    基于逆向工程的产品快速开发过程精度分布，如图1所示。基于逆向工程的产品快速开发过程包括四个阶段：(1)基于逆向工程的产品模型阶段；(2)工艺规划阶段；(3)快速成形阶段；(4)评估阶段。基于逆向工程的产品快速开发过程的精度控制由产品模型阶段精度控制、工艺规划阶段精度控制、快速成形阶段精度控制、评估阶段精度控制等四部分组成。

    图1 基于逆向工程的产品快速开发精度分布

2.2 基于逆向工程的产品快速开发误差分配

    基于逆向工程的产品快速开发过程中，总误差分配主要由产品模型误差、工艺规划误差、快速成形误差、评估验收误差等四部分组成。基于逆向工程的产品快速开发过程误差分配，如图2所示。

    图2 基于逆向工程的产品快速开发过程误差分配

    产品模型误差主要由数据采集误差、模型重建误差、开发设计误差等三部分组成。工艺规划误差主要由工艺误差、工序误差、工步误差等三部分组成。工艺误差主要由原理误差和参数误差组成。快速成形误差主要由前处理误差、加工误差、后处理误差等三部分组成。评估验收误差主要由评估误差、试制误差、改型误差等三部分组成。

3 快速成形加工精度影响因素

3.1 速成形加工精度

    快速成形加工分为三个阶段：(1)为前处理阶段；(2)为加工阶段；(3)为后处理阶段。快速成形加工过程的精度控制由前处理阶段精度控制，加工阶段精度控制，后处理阶段精度控制等三部分组成。快速成形加工过程精度分布，如图3所示。

    图3 快速成形过程的精度分布

3.2 快速成形加工误差分配

    快速成形加工过程中，总误差分配主要由前处理误差，加工误差，后处理误差等三部分组成。快速成形加工过程误差分配，如图4所示。

    图4 快速成形过程误差分配

    快速成形过程中，误差分配由前处理误差、加工误差、后处理误差等三部分组成。前处理误差主要由模型识别误差、模型切片误差、近似处理误差、加工代码误差等四部分组成。加工误差主要由材料属性误差、机械设备误差、薄层成形误差等三部分组成。薄层成形误差由单层成形误差和层间累加误差构成。后处理误差主要由去除支撑误差、制件收缩误差、表面处理误差、阶梯效应误差、残余应力误差等五部分组成。阶梯效应误差由表面积误差和体积误差构成。

4 精度补偿与控制方法

    基于逆向工程的产品快速开发过程中，精度影响因素复杂，需要控制每个环节的精度并合理分配误差，才能开发出满足精度要求的产品。

4.1 合理分配

    误差分配是误差合成的逆问题，即在总误差给定的前提下，确定出各分项误差。逆向工程中产生的各种误差是随机的，满足正态分布规律。总误差分配公式，如式1所示。

4.2 适当补偿

    根据图2，结合公式1，基于逆向工程的产品快速开发总误差构成表达式，如式(2)所示。

    逆向产品快速开发过程中，不同阶段误差水平是不同的。由于目前快速成形阶段误差较大，一般为0.1mm左右；工艺规划阶段和评估验收阶段的误差较小，一般控制在(0.01～0.02)mm；逆向产品快速开发总误差控制可以通过基于逆向工程的产品模型阶段误差适当补偿来实现。

4.3 精确控制

4.3.1 产品模型阶段

    根据图2，结合公式(1)，产品模型误差构成表达式，如式(3)所示。

    由于开发设计阶段误差较小，一般为0.01mm；产品模型阶段误差的精确控制可以通过控制数据采集阶段误差和模型重建误差来实现。数据采集阶段误差可以通过控制产品原型误差和扫描仪(测量机)测量误差来实现。模型重建阶段误差可以通过控制数据预处理误差和曲面重构误差来实现。

4.3.2 工艺规划阶段

    根据图2，结合公式1，工艺规划误差构成表达式如式(4)所示。

    由于工序阶段误差和工步阶段误差较小，工艺规划阶段误差的精确控制可以通过控制工艺阶段误差来实现。工艺阶段误差可以通过控制原理误差和参数误差来实现。

4.3.3 快速成形阶段

    根据图2，结合式(1)，快速成形过程误差构成表达式如式(5)所示。

    由于后处理阶段误差较小，一般为0.01mm；快速成形阶段误差的精确控制可以通过控制前处理阶段误差和加工误差来实现。前处理阶段误差可以通过重点控制模型切片误差和近似处理误差来实现。加工误差可以通过重点控制薄层成形误差来实现。

4.3.4 评估验收阶段

    根据图2，结合公式(1)，评估验收误差构成表达式如式6所示。

    由于评估阶段误差和试制阶段误差较小，评估验收阶段误差的精确控制可以通过控制改型阶段误差来实现。

5 实例

    某叶轮叶片模具活块，如图5所示。采用激光扫描仪进行数据采集、通过熔融沉积成形工艺进行决速成形制造。对其进行基于逆向工程的快速开发全过程精度要求为0.12mm。根据基于逆向工程的产品快速开发总误差构成表达式，平均分配其误差，产品模型误差、工艺规划误差、快速成形误差、评估验收误差均应控制在0.06mm以内。

    图5 某叶轮叶片模具活块

    由于采用熔融沉积成形工艺，快速成形误差一般控制在0.1mm，误差偏大；工艺规划误差一般控制在0.02mm左右，评估验收误差一般控制在0.01rnm左右。根据基于逆向工程的产品快速开发总误差构成表达式，产品模型误差应该控制在0.062 mm以内就可达到产品快速开发过程的整体精度。

    通过产品模型误差的补偿，可以调整该模具活块快速开发过程的整体精度。结合平均分配基于逆向工程的产品快速开发总误差时，产品模型误差的控制范围，只要产品模型误差控制在0.06mm以内，基于逆向工程的叶片模具活块快速开发整体精度就可以满足要求。

6 结论

    精度分析与控制是产品快速开发过程中的关键问题。分析了基于逆向工程的产品快速开发全过程中的各个阶段的精度影响因素，结合相关误差构成表达式，提出了精度补偿与控制方法，为控制逆向产品快速开发全过程的精度提供依据。

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