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油井钻头外形轮廓的逆向造型 |
目前在世界制造技术先进国家，可通过数控铣削加工生成石油井钻头的全部曲面外形轮廓，并与理论设计的外形轮廓吻合一致，以满足钻井阻力小、钻进速度高、钻头耐用等多方面要求。国内油井钻头的曲面外形轮廓主要为铸造毛坯面，不光滑且难以达到与理论设计的外形轮廓吻合一致，影响了后续数控加工质量，尤其是钻头的使用性能。为学习国外先进的外形轮廓设计和加工制造技术，国内企业提出了应用逆向工程技术生成油井钻头CAD造型的需求。
逆向工程（reverse engineering，RE）是通过仪器设备传感元件装置的空间扫描运动，获得实物对象外形轮廓的三维几何数据，然后用计算机对这些数据进行筛选处理，并生成实物对象的CAD数字化造型。在此基础上，就可以把实物对象按照原样或者经过局部修改而制造出来。逆向工程技术应用于外形轮廓复杂的新产品研发，具有周期短、效率高、投资省、方便快捷等一系列优点。以下通过一个油井钻头实例，来讨论分析逆向造型的具体方法与过程。
采集钻头外形轮廓数据
1.数据采集方法
实物对象外形轮廓数据的采集方法，一般可以分为接触式和非接触式测量两大类。
进行接触式测量时，仪器设备的传感元件装置每次必须接触到实物对象，通过微小的力的作用而感知和记录接触点的坐标值，优点是测量精度高，但测量速度较慢，而且对于测头无法触及的轮廓位置不能进行测量。通常，在三坐标测量仪（CMM）甚至一些数控镗铣加工机床的主轴上，经过安装带半球形红宝石探测头的细长机械测量杆，都可以进行接触式坐标测量。
图1显示利用实验室的5轴联动高速铣削加工中心接触式测量实物对象的外形轮廓；红宝石探测头触及半球形工件后随即发出红外信号，无线传输到与机床计算机数控（CNC）系统相连的信号接收装置，然后自动转换为X-Y-Z坐标值被CNC显示和存储。不过，为了不占用或少占用数控机床用于切削加工的时间，一般不建议利用它们去完成对实物对象外形轮廓的扫描测量。
图1 接触式测量装置
随着测量装置相对于实物对象的逐点移动和接触测量，由一组3个坐标值对应表达的空间测点的数量也不断增加，它们的整体集合被称为点云。
在非接触式测量中，仪器设备通过把激光束、电磁波、声波或者X射线等能量束投射到实物对象的表面，获得被测点的位置坐标，具有速度快、效率高的优点，但测量精度不如接触式测量，常用于精度要求不是很高的场合。其它如激光全息摄影等，可以迅速获得实物对象的外形轮廓立体图像，但在逆向工程中应用较少。 |
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