基于逆向工程的復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)研究

廖永勝

（廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣西 南寧 530033）

逆向工程指的是在各種條件所缺少的情況下，通過對(duì)模型的分析研究通過各種數(shù)字技術(shù)以及先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)對(duì)模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外在特征進(jìn)行分析研究，從而得到一種可以批量生產(chǎn)的技術(shù)，例如CAD技術(shù)，這就是科技發(fā)展的產(chǎn)物，同時(shí)也是逆向工程最重要的一部分。

基于目前市場(chǎng)競爭激烈的現(xiàn)狀，為了降低成本和提高效率，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量低成本，進(jìn)而增加產(chǎn)品的收益和競爭力，在這種環(huán)境下，分析以及分解逆向工程中的復(fù)雜曲面數(shù)控技術(shù)的成果成為了各個(gè)企業(yè)所迫切想要得到的結(jié)果。因此復(fù)雜曲面數(shù)控技術(shù)是企業(yè)之間競爭所必須具備的一項(xiàng)技術(shù)，這也就導(dǎo)致了復(fù)雜曲面數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展。對(duì)逆向工程樣品的加工處理主要包括產(chǎn)品CAD建模、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)字化掃描、加工方案等四個(gè)方面。

1 掃描技術(shù)的數(shù)字化

接觸和非接觸式是數(shù)據(jù)采集的方式，同時(shí)也是非常重要的兩種技術(shù)。接觸式的采集測(cè)量技術(shù)由兩種數(shù)據(jù)采集方式所構(gòu)成，一是，點(diǎn)位觸發(fā)方式；二是，連續(xù)式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)。點(diǎn)位觸發(fā)式的優(yōu)點(diǎn)是簡單而方便，缺點(diǎn)是比較不具體缺少細(xì)化這一方面的內(nèi)容，其主要應(yīng)用于規(guī)模較小的測(cè)量，同時(shí)其采集速度相對(duì)較低，一般只用于零件表面形狀及規(guī)格的測(cè)量，數(shù)字化成都相對(duì)較低。與觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集相比較，精細(xì)而準(zhǔn)確是連續(xù)式數(shù)據(jù)采集的最大的優(yōu)點(diǎn)，如掃描測(cè)量儀和監(jiān)控測(cè)量儀，由于其具有較快和較精準(zhǔn)的采集速度，所以滿足絕大部分大規(guī)模數(shù)據(jù)采集的要求。

接觸式測(cè)量方法雖然成本較低，操作簡單，精度較高，抗干擾能力較強(qiáng)，但是由于測(cè)量時(shí)接觸壓力的存在，這就導(dǎo)致了一些質(zhì)地柔軟體積較小的的零件測(cè)量存在較大的誤差。對(duì)于非接觸式測(cè)量，測(cè)量時(shí)不能接觸到帶測(cè)物體表面，這是最基本也是最重要的要求，因?yàn)檫@直接關(guān)系到測(cè)量的準(zhǔn)確性，同時(shí)電、磁場(chǎng)、激光、聲波等是其數(shù)據(jù)傳遞最基本的載體，其中最常見的載體就是激光載體。與接觸式測(cè)量相比，可滿足遠(yuǎn)距離工作、對(duì)零件損傷程度較小、速度快、不存在測(cè)頭半徑三維補(bǔ)償問題、可滿足遠(yuǎn)距離工作、對(duì)環(huán)境要求低且適用于質(zhì)地柔軟或彈性材料制成的零件的優(yōu)點(diǎn)就顯得格外的明顯，這些優(yōu)點(diǎn)也正是非接觸式數(shù)據(jù)采集近年來飛速發(fā)展的原因。隨著數(shù)據(jù)采集要求的日益需求，一種新型的測(cè)量技術(shù)也隨之而生，這就是斷層掃描測(cè)量技術(shù)。斷層掃描測(cè)量是一種新興的測(cè)量技術(shù)，可以忽視物體復(fù)雜程度進(jìn)而對(duì)零件表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行精確測(cè)量。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)處理的過程中，測(cè)量的是否精確和外在的環(huán)境息息相關(guān)。機(jī)器的精度，儀器設(shè)備的陳舊以及設(shè)備的不足等等都是影響因素，同時(shí)待測(cè)零件的質(zhì)量、表面狀況以及測(cè)量儀器的半徑等也是不可忽視的內(nèi)在因素，這些因素直接影響到了最終的三維框架模型結(jié)構(gòu)。所以消除這些影響因素是在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理前必須要消除的對(duì)象。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量之前，要對(duì)影響實(shí)驗(yàn)測(cè)量的多余參數(shù)進(jìn)行消除，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插入補(bǔ)充和刪除誤差大的一項(xiàng)。從而才能使數(shù)據(jù)更加精確優(yōu)化，處理數(shù)據(jù)時(shí)才能將各種不同的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分類歸化統(tǒng)一。

3 CAD曲面模型的重構(gòu)

3.1 產(chǎn)品逆向建模

在逆向建模的過程中，其最常用的軟件是Geomagic Studio。其基本內(nèi)容和方式便于操作者直接完成逆向建模的過程，主要包括以下方面：①編輯點(diǎn)云進(jìn)行編輯指令的操作；于在點(diǎn)云的幫助下進(jìn)行三角網(wǎng)格的處理，編輯，加工，包裝；③構(gòu)建四邊形模型邊界的最初模型；④曲面階段的柵格化以及NURSS的應(yīng)用。

3.2 CAD模型及曲面構(gòu)建

（1）曲面重建的點(diǎn)階段。曲面重建的最重要階段莫過于點(diǎn)階段的構(gòu)造。在這一階段由于構(gòu)造過程中的無用點(diǎn)比較多，因此要利用“減少噪音”這一技術(shù)來刪除多余的無用的點(diǎn)，如果點(diǎn)數(shù)過多構(gòu)成了點(diǎn)云，這時(shí)為了節(jié)省工作時(shí)間就要采用重新處理點(diǎn)數(shù)據(jù)的方式對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行重新采樣處理。最后將所得到的結(jié)果點(diǎn)導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。這里所默認(rèn)導(dǎo)入的是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio，這也稱為最后的封裝階段。下面介紹下Geomagic Studio軟件的采樣方式（統(tǒng)一采樣、隨機(jī)采樣、曲率采樣、對(duì)點(diǎn)采樣和等距采樣）。這一階段的封裝即可全部完成。

（2）三角網(wǎng)格（封裝）階段及多邊形階段。多邊形是由各種圖形組成的，這其中包含著大量的三角形，因此多余或不精確的點(diǎn)構(gòu)成的三角形進(jìn)行編輯處理可以改變模具基本屬性。這時(shí)通過刪減增加等方式達(dá)到所需三角形的個(gè)數(shù)，再通過“填充孔”對(duì)不同半徑曲率的孔進(jìn)行優(yōu)化填充，達(dá)到最終的要求效果。三角網(wǎng)格的封裝和多邊形階段的處理通常還有其他的步驟，經(jīng)過以上的三個(gè)重要步驟處理后，四邊形的曲線模型的構(gòu)造就會(huì)顯得得心應(yīng)手了，同時(shí)四邊形曲線構(gòu)造對(duì)NURBS曲面的構(gòu)建建立存在著不可揮滅的作用，也是其曲面建立的核心。

（3）曲面階段。通過四邊形邊界的構(gòu)建劃分，再進(jìn)行重疊部分的刪減，進(jìn)而可以得到準(zhǔn)確的構(gòu)造曲面模型，便可以得到產(chǎn)品的最終模型了。

4 利用CAM生成數(shù)控加工刀具軌跡

就目前這一階段來看，有許多不同的軟件可以應(yīng)用到數(shù)控加工這一生產(chǎn)過程中，但是其基本原理都大經(jīng)相同，無論是其產(chǎn)品軌跡生產(chǎn)方式還是產(chǎn)品生產(chǎn)所采用的工藝都相似。其最常見的工具就是利用CAM數(shù)控加工技術(shù)對(duì)各種產(chǎn)品進(jìn)行表面簡化以及對(duì)曲面進(jìn)行數(shù)控加工。

（1）等參數(shù)線加工方法。等參數(shù)線加工是滲透在數(shù)控加工過程中最常用的加工方式，是利用數(shù)學(xué)原理中的一維、二維、三維模型進(jìn)行操作。例如在生產(chǎn)刀具的過程中，刀具軌跡整齊排列在X、Y參數(shù)平面上，刀位的計(jì)算可以在曲面或曲面的等距面上進(jìn)行求解。但是這同樣具有速度、復(fù)雜度、排列密度上的優(yōu)缺點(diǎn)，這是不可避免的因素。

（2）截面線加工方法。截面線的加工包含著曲面，平面，以及曲面平面相結(jié)合，這兩種加工方式的結(jié)合能夠有效地得到加工過程中所需要的接觸面、交線等。切被加工表面之后便可以得到一系列交線，刀具在曲面的焦點(diǎn)處伴隨著交線運(yùn)動(dòng)就完成了曲面加工。這種加工方式有自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但是同樣這一操作的缺點(diǎn)也相對(duì)較明顯，為了克服這一缺點(diǎn)因此在加工過程中一般采用平面進(jìn)行處理。

（3）等殘留高度法。等殘留高度法是由美國加州大學(xué)的K Suresh和D Yang提出的。其目的是為了解決刀具加工時(shí)球頭刀加工的困難，主要內(nèi)容包括如何運(yùn)用數(shù)控技術(shù)計(jì)算步距，如何解決軌跡間的空隙達(dá)到最小，或者使軌跡間的剩余高度達(dá)到最大，從而達(dá)到縮短時(shí)間的目的以節(jié)約成本。曲面加工還包括投影方法、等值粗線加工法和曲線插值法等等，這些都是非常實(shí)用的曲面加工方法。但是這些方法都有其各自的試用范圍，需要在實(shí)際的加工和操作過程中合理的選擇利用，合理運(yùn)用才能有效的提高產(chǎn)品的加工速率和加工精度。

5 結(jié)語

伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，新型技術(shù)的出現(xiàn)是科技發(fā)展的必然產(chǎn)物。作為現(xiàn)代科技產(chǎn)物的逆向工程是研發(fā)模型和設(shè)計(jì)模型以及制造領(lǐng)域的研發(fā)者的重點(diǎn)研究對(duì)象也是模型建造的發(fā)展方向。在逆向工程技術(shù)的基礎(chǔ)上通過計(jì)算機(jī)以及CAD/CAM技術(shù)進(jìn)行操作可以節(jié)約人力上和時(shí)間上的的花費(fèi)，同時(shí)也可以提高產(chǎn)品的成品率和產(chǎn)品精度，有效地解決了復(fù)雜產(chǎn)品的加工難題等等。增強(qiáng)了企業(yè)之間經(jīng)濟(jì)競爭力，有利于推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及國家GDP的發(fā)展實(shí)現(xiàn)國家的工業(yè)化進(jìn)程。由此可見，逆向工程的研究是創(chuàng)造力和先進(jìn)技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的重要手段，同時(shí)其對(duì)于我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高自己實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興具有重大貢獻(xiàn)，同時(shí)也是世界科技水平進(jìn)步的應(yīng)證。逆向工程的復(fù)雜曲面技術(shù)的研究必然會(huì)成為未來的一大研究課題。

參考文獻(xiàn)

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