基于逆向工程的復雜曲面零件數控加工工藝研究

張芳

摘要：以花灑為例，針對復雜曲面零件在逆向制造過程中存在的問題開展研究，將復雜曲面零件的點云數據進行優(yōu)化處理后，通過曲面逆向架構和曲面重構，完成逆向建模設計，再利用數控加工軟件對正反兩面加工工藝進行規(guī)劃設計，完成對復雜曲面零件的數控加工，為復雜曲面零件的制造提供理論和實踐依據。

關鍵詞：逆向造型;曲面重構;復雜曲面;兩面加工

1引言

復雜曲面零件的制造一直是加工制造領域棘手的問題，傳統(tǒng)方法多是模具翻模制造，模具設計加工流程繁瑣，且累計誤差較大;逆向工程與數控自動編程的的發(fā)展為解決這個難題提供了很好的思路，并且與傳統(tǒng)的零件加工制造相比，逆向建模與數控加工可以在前人的基礎上對零件進行創(chuàng)新，并將現有的零件產品作為參照目標，制造出新的目標產品，從而為制造業(yè)提供更多創(chuàng)新的產品，加快制造業(yè)的發(fā)展。

2復雜曲面的逆向建模

2.1花灑數據采集

在進行逆向工程時，三維掃描是最基本的一步。它是獲得原始點云數據的最直接的方法，也是最理想的方法。原始點云數據是后面進行逆向處理的根本依據，因此三維掃描得到點云數據的好壞直接影響到逆向建模的成功與否。從三維數據的采集方法上來看，非接觸式的方法由于同時擁有速度和精度的特點，因而在逆向工程中應用最為廣泛。我們采用非接觸激光掃描儀對花灑進行掃描。

2.2花灑點云處理

掃描得到的產品外形數據會不可避免的引入數據誤差，尤其是尖銳邊和邊界附近的測量數據，測量數據中的壞點，可能使該點及其周圍的曲面片偏離原曲面，所以要對原始點云數據應進行預處理，通常要經過以下步驟：

1.去掉噪音點，將點云顯示在圖形終端上，或者生成曲線曲面，采用半交互半自動的光順方法對點云數據進行檢查調整;

2.數據插補，對于一些掃描不到的區(qū)域，其數據只能通過數據插補的方法來補齊，這里要考慮兩種曲面造型技術，基于點的樣條曲面逆向造型和基于點的曲面擬合技術。

3.數據平滑，數據平滑的目的是為了消除噪音點，得到精確的模型和良好的特征提取效果，采用平滑法處理方法，應力求保持待求參數所能提供的信息不變。

4.數據光順，一方面由于精度原因不允許對測量的數據點施加過大的修改量來滿足光順的要求，另一方面由于實物邊界曲面的多樣性，邊界上的某些特征點（邊界折拐點）必須予以保留，而不能被視為“壞點”。

5.將點云數據轉變?yōu)槎噙呅文Ｐ?，通過設置點間距來進行采樣，目標三角面片的數量可以進行人為設定。對三角面片文件的優(yōu)化處理并刪除釘狀物命令，減少噪音命令使用2至3次，并對垃圾面片進行處理。

6.去除特征效果在曲率變化大的邊緣處應用效果不佳，可以采用填補孔命令，在面片上破孔處理使用單個填充孔命令，最終面片完成。

3花灑零件逆向造型設計

將優(yōu)化好的面片導入逆向設計軟件，采用手動對齊方式，將坐標系確定好，采用自動分割，將敏感度調制合適的數值，模型會將不同曲率的區(qū)域以不同顏色劃分，把同一曲面上的領域合并到一起，成為一個領域，有利于下一步曲面造型。在劃分好的領域中采用面片擬合命令鋪出外形曲面，并使用放樣命令，得到所需要的曲面。通過裁剪命令裁剪出對稱的一半產品，使用鏡像命完成令曲面創(chuàng)建。

通過裁剪命令裁剪出對稱的一半產品，使用鏡像命完成令曲面創(chuàng)建。使用縫合命令來，做出實體模型，進行精度分析。

4.花灑零件正反面加工

對于復雜曲面零件，在綜合分析零件加工表面形狀、加工部分的尺寸大小、加工精度等因素的條件下，采用工藝搭子，為防止加工時產生變形，建立搭子時與虎鉗鉗口平行的面一定要有與之垂直。指定修剪邊界，至少要偏置出一個刀具直徑，這樣可以在不發(fā)生撞刀的情況下使切削余量最小化減少切削時間。正反面加工工藝相仿，型腔銑大刀開粗，緩坡面固定軸區(qū)域精加工，陡峭面深度輪廓精加工，值得注意的是正面加工后創(chuàng)建小平面體，以此作為反面加工的毛坯，在仿真過程中勾選碰撞檢查，將可能出現的碰撞遏制在自動編程階段。

5結束語

通過逆向造型的誤差對比分析，可有效采取措施減少制件的形狀誤差，自動編程的仿真加工可有效模擬真實加工環(huán)節(jié)，包括殘余料厚、碰撞檢查等，但由于編者水平有限，研究中仍存在不足，比如：點云數據采集的局限性，面片擬合優(yōu)化，加工精度控制等等，在后續(xù)的研究會重點推進。

參考文獻：

[1]劉劍龍，陸榮，孔維森，等.航天薄壁框架類零件數控加工的變形抑制方法[J].機械制造與自動化，2019，48（06）：059-061.

[2]武迎迎，趙國強，秦濤，等.復雜零件數控加工在線測量技術研究[J].機械制造，2019，57（07）：072-075.

[3]趙文杰，夏尚飛.基于GeomagicDesignX的安全錘的逆向設計與仿真加工分析[J].南方農機，2020，51（1）

[4]高曉芳.復雜曲面的逆向造型設計及多軸聯動加工[J].機械工程與自動化，2019，（4）

[5]高志華，劉旸等.基于逆向工程的工業(yè)產品數字化設計與數控加工應用研究[J]新技術新工藝，2019，（6）

（淄博職業(yè)學院機電工程學院?山東淄博?255000）