基于點云模型生成數(shù)控加工刀軌的關(guān)鍵技術(shù)研究

孫路路 韓文麗

摘 要：隨著社會主義市場經(jīng)濟體制的逐步成熟和市場經(jīng)濟全球化發(fā)展的持續(xù)推進，消費者對于工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量以及多樣化需求越來越高。本文從點云模型在數(shù)控加工中的應(yīng)用途徑和點云模型數(shù)控加工刀軌生成技術(shù)的發(fā)展兩個方面入手，對點云模型數(shù)控加工刀軌生成關(guān)鍵技術(shù)的類型特點進行深入分析，并以此展開了對點云模型數(shù)據(jù)加工刀軌生成技術(shù)算法的研究，希望能為生產(chǎn)單位的技術(shù)應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：點云模型；數(shù)控加工；刀軌生成技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.018

0 前言

在逆向工程中，利用點云模型關(guān)鍵技術(shù)生成數(shù)控加工刀軌是一個相對復(fù)雜和時間耗費較長的過程。數(shù)控加工刀軌生成一般需要進行曲面構(gòu)造或網(wǎng)格模型的構(gòu)造工作，之后利用第一步的曲面或者網(wǎng)格來實現(xiàn)數(shù)控加工刀軌的形成。點云模型數(shù)據(jù)加工刀軌生成技術(shù)不僅可以顯著的縮短刀軌生成計算需要花費的時間，還可以進一步省掉刀軌加工過程中的重構(gòu)環(huán)節(jié)，因此擁有非常大的應(yīng)用空間和應(yīng)用價值。

1 云模型數(shù)控加工刀軌生成關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

1.1 點云模型在數(shù)控加工中的應(yīng)用途徑

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，數(shù)字化測量技術(shù)也迎來了更大的發(fā)展空間，其中掃描設(shè)備在獲取實體模型構(gòu)建過程中的數(shù)據(jù)信息點變得更為方便和快捷，傳統(tǒng)的實體模型構(gòu)建技術(shù)也逐漸向著點云模型技術(shù)方向發(fā)生改變。點云模型在數(shù)控加工刀軌生成過程中的主要應(yīng)用途徑分為以下三種：第一，通過對點云模型濟采取的曲面構(gòu)造操作來獲取曲面模型，并根據(jù)曲面模型來加工刀軌生成；第二，首先需要利用點云模型來構(gòu)造三角網(wǎng)格模型，再根據(jù)三角網(wǎng)格模型來進一步生成刀軌；第三，通過對點云模型進行的制定技術(shù)處理，再根據(jù)點云模型的刀具軌跡生成數(shù)據(jù)來完成數(shù)據(jù)加工操作[1]。

1.2 點云模型數(shù)控加工刀軌生成技術(shù)的發(fā)展

點云模型的數(shù)據(jù)加工刀軌生成技術(shù)與傳統(tǒng)的刀具軌跡生成技術(shù)相比，在實際的操作過程中不會涉及到曲面構(gòu)建的重新構(gòu)建環(huán)節(jié)，對于網(wǎng)格計算中相對繁瑣的過程也進行了簡化，從而有效的保證了刀軌生成的效率。點云模型的數(shù)據(jù)加工刀軌生成技術(shù)最早是被國外的研究學(xué)者Tskuasa所提出，通過對一種類似數(shù)據(jù)點測量的方式直接生成刀具軌跡，這種方法主要依靠的是坐標測量機對于構(gòu)建曲面的測量操作，并將測量點確認為刀位點。雖然在刀軌生成技術(shù)中取得了一定的成績，但是在機械接觸類的坐標測量工作中，這種測量方法卻是不適于對坐標測量機數(shù)據(jù)點的測量操作，并且實施這種方式需要建立在刀具半徑與測量頭半徑相等的情況下。在此基礎(chǔ)上，一些專家學(xué)者相繼提出了不同的解決策略，點云模型的數(shù)據(jù)加工刀軌生成技術(shù)也得以不斷完善和發(fā)展。

2 點云模型數(shù)控加工刀軌生成技術(shù)的算法研究

2.1 點云模型的等殘留高度法精加工刀軌生成算法

點云模型數(shù)據(jù)加工刀軌生成技術(shù)中，等殘留高度法精加工刀軌生成算法是一類相對較新的刀軌規(guī)劃算法，是被Suresh和Yang兩個人最先提出。點云模型的等殘留高度法精加工技術(shù)大多被用于球頭刀三軸的加工操作中，通過采取等殘留高度法來對步距進行計算。在將球頭刀切削加工成曲面的過程中，球頭刀由于和被加工曲面之間會直接接觸，所以會向前移動，這時刀具曲面和被加工曲面之間會存在相切現(xiàn)象，切點就是刀觸點，而刀具的中心點就是刀位點。這一過程中刀位點也代表了刀具的具體位置情況，刀位點與所有刀觸點共同形成了刀位點路徑以及刀觸點路徑。點云模型的等殘留高度法精加工刀軌生成計算方法主要分為以下三個階段進行：當(dāng)前刀位點局部坐標系的創(chuàng)建、數(shù)據(jù)點與截平面交點的計算以及根據(jù)交點計算來得出殘留高度點。

2.2 點云模型的截面線等誤差法精加工刀軌生成算法

與其他幾種刀具軌跡規(guī)劃方法相比，采用等殘留高度法加工刀軌生成的軌跡長度最短，得到的表面殘留高度表現(xiàn)的較為均勻，可以算得上是效果最好的一類刀具軌跡規(guī)劃方式[2]。但是從實際角度出發(fā)，對于一些局部細節(jié)過于復(fù)雜的曲面或者是組合曲面生成操作中，等殘留高度法生成的刀具軌跡則非常容易受到曲面曲率的影響而出現(xiàn)尖點或者拐點的問題，這種情況下就需要用到點云模型中的截面線等誤差法來對刀具軌跡進行規(guī)劃。截面線等誤差法應(yīng)用的范圍相對較廣，本文提到的點云模型應(yīng)用的截面線等誤差計算方法主要是利用截面線的方法來將刀具軌跡上的刀位點作為圓心，半徑為弓高誤差建立一個圓，并將第一個刀位點作為等誤差中的首個刀位點，以此來計算刀位點與弓高之間切線區(qū)域的交集，直到交集為空時，得到的最小非空集合與刀具軌跡相切或者相交，則表示滿足誤差要求。

2.3 點云模型局部修改后的刀軌重新生成算法

一般情況下，規(guī)劃刀具軌跡的方法會包括等參數(shù)線法、等殘留法、導(dǎo)動面法以及截面法等。其中對于自由曲面掃描的點云模型數(shù)據(jù)加工刀軌生成技術(shù)來講，大多會采用到截面線等誤差法的方式。然而隨著工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)市場競爭的逐漸加大，大多數(shù)企業(yè)對于產(chǎn)品的設(shè)計時間、生產(chǎn)時間要求逐漸提高，傳統(tǒng)逆向工程中對與實物產(chǎn)品的復(fù)制逐漸已經(jīng)難以滿足消費者多樣化的需求，為了進一步滿足市場的實際需求，生產(chǎn)企業(yè)不再對實物進行單一的復(fù)制，而是通過對模型修改等一系列操作，獲得產(chǎn)品的多樣化外觀特點。當(dāng)前點云模型的數(shù)控加工刀軌生成技術(shù)中局部修改生成算法主要是通過對點云的局部粗加工、細加工之后獲得的刀具軌跡重新生成的算法。

3 總結(jié)

綜上所述，點云模型的數(shù)控加工刀軌生產(chǎn)技術(shù)的出現(xiàn)和被廣泛的應(yīng)用，對于提高工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)效率有著重要作用。通過對點云模型的等殘留高度法精加工刀軌生成算法、截面線等誤差法精加工刀軌生成算法以及局部修改后的刀軌重新生成算法的分析，明確了點云模型數(shù)控加工刀軌生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用價值，針對點云模型的數(shù)據(jù)加工刀軌生產(chǎn)技術(shù)開展的研究工作成為當(dāng)前促進工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展的重要課題。

參考文獻：

[1]劉威，朱淑梅，周琛，沈曄湖，張彤彤.點云模型行距自適應(yīng)數(shù)控加工刀軌生成方法研究[J].制造業(yè)自動化，2017，39（11）：105-108.

[2]張嘉煒，劉威，袁鐵軍，張闖闖，謝競堯.點云模型的五軸無干涉數(shù)控加工刀軌生成方法[J].制造業(yè)自動化，2016，38（05）：158-160+172.

作者簡介：孫路路（1987-），女，河南洛陽人，碩士，助教，研究方向：機械加工。