基于逆向工程的復雜曲面數(shù)控加工技術研究

陳佶

（渤海船舶職業(yè)學院，遼寧興城125105）

基于逆向工程的復雜曲面數(shù)控加工技術研究

陳佶

（渤海船舶職業(yè)學院，遼寧興城125105）

隨著科學技術水平的不斷提升，曲面自由設計及加工技術被廣泛應用于現(xiàn)代制造業(yè)，同時由于計算機及CAD技術的持續(xù)發(fā)展，使得自由曲面產(chǎn)品設計及加工更為容易。在明晰復雜曲面數(shù)控加工技術發(fā)展現(xiàn)狀的前提下，基于現(xiàn)存實物模型，采用數(shù)字化掃描技術將樣本產(chǎn)品CAD模型重新構(gòu)造，再運用CAD或CAM技術對產(chǎn)品施以改進、修形和制造，從而完成產(chǎn)品模型的全過程。

逆向工程；復雜曲面；數(shù)控加工

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，市場競爭日益加劇，各種新型技術更是有著跨越式的進步及創(chuàng)新，可以說技術發(fā)展已經(jīng)成為經(jīng)濟不斷增長的主要推動力。為了確保各種產(chǎn)品在市場競爭中處于優(yōu)勢，持續(xù)縮短產(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)周期，同時也為了持續(xù)促進工業(yè)產(chǎn)品種類多樣化，實現(xiàn)小批量、高質(zhì)量和低成本的發(fā)展態(tài)勢，使得復雜曲面產(chǎn)品品種不斷增多。因此分析基于逆向工程的復雜曲面數(shù)控加工技術有著極大的現(xiàn)實意義。

1 復雜曲面加工技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 復雜曲面造型技術發(fā)展現(xiàn)狀

復雜曲面造型技術，屬于計算機輔助設計及計算機圖形學，是最活躍且最關鍵的學科。隨著CAD及CAM技術持續(xù)進步，促使復雜曲面造型技術日漸完善和成熟。該學科起源于飛機和船舶外形的放樣工藝，于二十世紀六十年代形成基礎理論，其關鍵是探究在計算機圖像系統(tǒng)條件之下，進行曲面展示、設計、顯示和分析等。隨著時間推移及社會發(fā)展，復雜曲面造型技術已經(jīng)形成了基本參數(shù)化特征設計和隱式代數(shù)曲面的表示方式，加之采用插值、擬合和逼近等方式作為骨架，形成了較為健全的幾何理論體系。

對研究領域來講，曲面造型技術早已由傳統(tǒng)方式往曲面變形、重建和簡化，亦或是轉(zhuǎn)換及等距性方面發(fā)展。隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需要，其他學科相關技術方式不斷被引進至計算機圖形學中，逐漸出現(xiàn)了諸多新型造型方式，比如基于物理模型優(yōu)化的曲面造型方式等。圖1所示為波形刃立銑刀簡視圖，其中圖1（a）為三菱公司直角立銑刀，圖1（b）為伊斯卡公司立銑刀。

圖1 波形刃立銑刀簡視圖

1.2 復雜曲面反求技術發(fā)展現(xiàn)狀

計算機和數(shù)控激光測量技術地持續(xù)進步，使得反求技術脫離了復制局限，內(nèi)涵和延伸等方面都有了極大的變化，成為眾多產(chǎn)品設計方式之一。以往工程技術人員可以通過實物樣件、圖樣等關鍵點，迅速獲得工程設計的概念和設計模型的主要途徑。直到二十世紀九十年代末期，國內(nèi)復雜曲面反求技術才開始飛速發(fā)展，現(xiàn)如今國內(nèi)部分高校和企業(yè)也都極其關注此方面的研究，如復雜曲面反求工程CAD問題、基于三角形曲面初始表達復雜曲面反求工程軟件RE-SOFT，等等。

1.3 光學自由曲面加工技術發(fā)展現(xiàn)狀

光學自由曲面加工技術被廣泛應用于工業(yè)方面。高精度復雜曲面光學零件的加工，體現(xiàn)了超精密加工技術的最高水平。光學自由曲面零件形狀精度的加工過程中有著極其嚴格的要求，精度等級務必達到微米或亞微米級，表面的粗糙程度要求務必達到納米或亞納米級，這就導致光學自由曲面加工極為復雜多變。由于曲面光學零件材料非常硬脆、自由曲面存在較大曲率變化及多變的曲率中心等原因，導致其大都極難進行加工。因此采用超精密磨削、研磨和拋光，計算機控制光學表面成形等技術，保證光學自由曲面加工的順利完成。

1.4 基于逆向工程的復雜曲面數(shù)控加工技術發(fā)展現(xiàn)狀

逆向工程是屬于一種基于現(xiàn)存產(chǎn)品樣件，采用三維掃描儀器進行全方位掃描，從而獲得產(chǎn)品表面點云數(shù)據(jù)，然后通過逆向建模進行實體模型重構(gòu)，最終加工形成產(chǎn)品的制造技術?；谀嫦蚬こ掏ǔＪ鞘褂肅AD或CAM系統(tǒng)，從而生成CAD模型及NC加工程序代碼，這也是目前最為復雜的曲面加工方式，同時也是較為成熟且運用廣泛的方式。采用三維數(shù)據(jù)掃描技術進行實體物質(zhì)掃描，從而在計算機中展開模型建造、修改并生成NC程序代碼，最終和數(shù)控機床進行通訊，以便快速進行加工制造。采用此方式能夠快速展開復雜曲面的制作過程，同時在CAD系統(tǒng)計算機建模中，能夠?qū)ο嚓P模型施以二次創(chuàng)新，因此在工業(yè)設計、模具型面設計及制作等領域應用偏多。其主要工序包括樣品數(shù)字化掃描及數(shù)據(jù)預處理、產(chǎn)品CAD建模、加工方式及參數(shù)的最優(yōu)選擇、刀具軌跡生成、仿真建模及后置處理，最終形成NC程序代碼，進行數(shù)控加工。

2 基于逆向工程的復雜曲面數(shù)控加工技術分析

2.1 數(shù)字化掃描技術

三維數(shù)據(jù)采集包括接觸式及非接觸式測量。接觸式測量采用點位觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集，此方法采集速度不高，適用于零件表面形狀簡單，或所需數(shù)據(jù)不多的表面數(shù)字化場合。其優(yōu)點是測量精確度高，容易操作，具有良好的抗干擾性，所需成本偏低。但由于測量時接觸所產(chǎn)生的壓力，較為柔軟的零部件易出現(xiàn)測量誤差，且存在測頭半徑三維補償問題。非接觸式測量時測頭不會接觸到物體表面，且相關數(shù)據(jù)不需要依賴于介質(zhì)進行傳遞，如激光媒介激光三角形方式及斷層掃面測量。非接觸式測量速度極快，不會造成零件刮傷，對周圍環(huán)境要求不高，且不存在測頭半徑三維補償問題。此方法適用于質(zhì)地較為柔軟，或者是彈性材料所制成的零件。

2.2 數(shù)據(jù)預處理

在測量過程中，由于測量設備裝置自身不足及被測零件表面質(zhì)量等因素影響，導致數(shù)據(jù)獲取中會出現(xiàn)某些跳點及壞點，對最終測量獲得的三維數(shù)據(jù)模型重構(gòu)造成影響，因此前期必須進行數(shù)據(jù)預處理。測量數(shù)據(jù)預處理包括以下方法，一是測量數(shù)據(jù)噪聲點的消除；二是數(shù)據(jù)插補；三是冗余數(shù)據(jù)清除，從而進行數(shù)據(jù)優(yōu)化；四是進行數(shù)據(jù)光整，對不同的定位測量數(shù)據(jù)施以歸一處理，接觸式測量數(shù)據(jù)還應消除測頭半徑帶來的影響。

2.3 CAD曲面模型重構(gòu)

曲面原型數(shù)字化之后，形成系列空間離散點，再采用計算機輔助幾何設計相關技術構(gòu)造曲面CAD模型。對復雜型面來講，使用一個曲面來擬合全部數(shù)據(jù)點根本是不成立的，更是不可行的。通常是根據(jù)曲面原型特征，從而把測量數(shù)據(jù)點分置在不同區(qū)域內(nèi)，在各個區(qū)域之內(nèi)擬合出不同曲面，再采用曲面求交及曲面過渡方式，把不同的曲面進行連接，從而形成整體。準確的三維測量數(shù)據(jù)分割及擬合技術屬于逆向工程中的關鍵。

逆向工程技術包括三類曲面重構(gòu)方式，一是基于B-SPLINE曲線，或是NURBS曲線的曲面重構(gòu)方式；二是基于三角形Beaier曲面的曲面重構(gòu)方式；三是基于多面體方式進行曲面物體詳細描述。NURBS曲線的曲面重構(gòu)方式通常是經(jīng)過相關控制點及全因子靈活性改變其狀態(tài)，有著極好的局部形狀控制力及幾何不變形，因此使用基于NURBS曲線的曲面重構(gòu)方式是現(xiàn)今較為成熟完善的CAD曲線重構(gòu)技術。

采用CAD造型軟件具備的曲線重構(gòu)能力，生成更多條插值點NURBS截面曲線后，生成插值于u向及v向邊界型值點NURBS邊界曲線（u向及v向截面線分別生成NURBS曲線）。然后再采用曲面造型技術擬合所生成的若干封閉及光滑NURBS曲面，把各個分塊的曲面施以拼接、過度、延伸、裁剪和光整，最終形成實體表面形狀及尺寸，并保證曲面模型誤差在規(guī)定范圍之內(nèi)。

2.4 CAM生成數(shù)控加工刀具軌跡

在數(shù)控加工過程中，刀具軌跡對復雜曲面零件加工有著極為關鍵的影響，因此CAM生成數(shù)控加工刀具軌跡是目前研究最為深刻、應用最為廣泛的一項技術。刀具軌跡規(guī)劃合理與否不僅直接關系到加工的成功率、工件的質(zhì)量、加工成本和生產(chǎn)效率，而且還會對刀具使用壽命造成影響。圖2所示為空間凸輪曲面數(shù)控加工刀具軌跡方程建模簡視圖。

圖2 空間凸輪曲面數(shù)控加工刀具軌跡方程建模簡視圖

2.5 等參數(shù)線加工方式

等參數(shù)線加工方式通常使用在多軸線數(shù)控加工生成刀具軌跡中，刀具的軌跡通常是在u及v兩個參數(shù)平面上，并且沿著u線及v線進行排列，刀具位置能夠在曲面及曲面等局面上獲得。此方式優(yōu)點是刀具軌跡計算簡便、速度極快，但存在刀具軌跡排列密集、加工效率偏低等問題。

2.6 截面線加工方式

截面線加工方式均使用平行平面，或者是曲面去切被加工表面，從而截出系列交線、刀具和被加工曲面接觸位置，沿著交線進行運動，實現(xiàn)曲面加工。由于曲面和曲面求交非常不易，因此選擇的截面通常是平面。

2.7 等殘留高度方式

等殘留高度方式由美國首先提出，在分析球頭刀三軸加工時，采用等殘留高度計算步距方式，即確保相鄰軌跡之間所殘留的高度值等于最大允許殘留高度，從而有效提升加工步距，縮減軌跡程度，節(jié)省加工時間。

隨著復雜曲面應用范圍地不斷擴大，尤其是計算機及自動控制技術地不斷發(fā)展，促使復雜曲面數(shù)控加工技術取得了跨越式進步，已經(jīng)成為機械制造業(yè)最關鍵的組成部分。近年來國內(nèi)復雜曲面數(shù)控加工技術整體上雖有很大進步，但與國際水平仍存在一定差距。因此，分析基于逆向工程的復雜曲面數(shù)控加工技術對國內(nèi)機械設計及制造水平的提升有著極大現(xiàn)實意義。

[1]黃斌達,王琦,陳發(fā)威.復雜曲面零件的逆向建模及數(shù)控加工仿真的研究[J].組合機床與自動化加工技術,2010 (12):97-100.

[2]劉紅軍,張愛國,趙吉賓,等.復雜曲面五軸數(shù)控加工中刀具位置優(yōu)化[J].航空精密制造技術,2014(6):5-10.

[3]周志雄,周秦源,任瑩暉.復雜曲面加工技術的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機械工程學報,2010(17):105-113.

[4]雷蔓,呂健,劉征宏,等.基于逆向工程及數(shù)控技術的曲面產(chǎn)品設計制造[J].制造業(yè)自動化,2014(20):52-55.

[5]關曉冬.淺析復雜曲面數(shù)控加工技術及其應用[J].電子世界,2014(8):256-257.

［責任編輯：劉 月］

The Study of Complex Curved Surface NC Machining Technology Based on Reverse Engineering

CHEN Ji (Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China)

With the continuous improvement of science and technology,curved surface free design and processing technology is widely used in the process of modern manufacturing.Due to the continuous development of computer and CAD technology,it is easy to design and manufacture the free curved surface products.On the premise of the present situation of complex curved surface NC machining technology,based on the existing natural model,the CAD model of the sample product is reconstructed by using digital scanning technology,and the product is improved,corrected and manufactured by using CAD or CAM technology,so as to complete the whole process of product model.

reverse engineering;complex curved surface;NC machining

TG659

A

2095-5928（2015）06-33-04

2015-11-01

遼寧省教育科學“十二五”規(guī)劃青年科研骨干專項課題（JGZXQEB083）

陳佶（1987-），女，遼寧錦州人，助教，學士，研究方向：數(shù)控技術。