陳佶

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

基于逆向工程的復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)研究

陳佶

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，曲面自由設(shè)計(jì)及加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)，同時(shí)由于計(jì)算機(jī)及CAD技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，使得自由曲面產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工更為容易。在明晰復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的前提下，基于現(xiàn)存實(shí)物模型，采用數(shù)字化掃描技術(shù)將樣本產(chǎn)品CAD模型重新構(gòu)造，再運(yùn)用CAD或CAM技術(shù)對(duì)產(chǎn)品施以改進(jìn)、修形和制造，從而完成產(chǎn)品模型的全過(guò)程。

逆向工程；復(fù)雜曲面；數(shù)控加工

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，各種新型技術(shù)更是有著跨越式的進(jìn)步及創(chuàng)新，可以說(shuō)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng)的主要推動(dòng)力。為了確保各種產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)，持續(xù)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)周期，同時(shí)也為了持續(xù)促進(jìn)工業(yè)產(chǎn)品種類(lèi)多樣化，實(shí)現(xiàn)小批量、高質(zhì)量和低成本的發(fā)展態(tài)勢(shì)，使得復(fù)雜曲面產(chǎn)品品種不斷增多。因此分析基于逆向工程的復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)有著極大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 復(fù)雜曲面加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 復(fù)雜曲面造型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

復(fù)雜曲面造型技術(shù)，屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，是最活躍且最關(guān)鍵的學(xué)科。隨著CAD及CAM技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，促使復(fù)雜曲面造型技術(shù)日漸完善和成熟。該學(xué)科起源于飛機(jī)和船舶外形的放樣工藝，于二十世紀(jì)六十年代形成基礎(chǔ)理論，其關(guān)鍵是探究在計(jì)算機(jī)圖像系統(tǒng)條件之下，進(jìn)行曲面展示、設(shè)計(jì)、顯示和分析等。隨著時(shí)間推移及社會(huì)發(fā)展，復(fù)雜曲面造型技術(shù)已經(jīng)形成了基本參數(shù)化特征設(shè)計(jì)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(duì)研究領(lǐng)域來(lái)講，曲面造型技術(shù)早已由傳統(tǒng)方式往曲面變形、重建和簡(jiǎn)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(xué)科相關(guān)技術(shù)方式不斷被引進(jìn)至計(jì)算機(jī)圖形學(xué)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(jiǎn)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(jiǎn)視圖

1.2 復(fù)雜曲面反求技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)和數(shù)控激光測(cè)量技術(shù)地持續(xù)進(jìn)步，使得反求技術(shù)脫離了復(fù)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(shè)計(jì)方式之一。以往工程技術(shù)人員可以通過(guò)實(shí)物樣件、圖樣等關(guān)鍵點(diǎn)，迅速獲得工程設(shè)計(jì)的概念和設(shè)計(jì)模型的主要途徑。直到二十世紀(jì)九十年代末期，國(guó)內(nèi)復(fù)雜曲面反求技術(shù)才開(kāi)始飛速發(fā)展，現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)部分高校和企業(yè)也都極其關(guān)注此方面的研究，如復(fù)雜曲面反求工程CAD問(wèn)題、基于三角形曲面初始表達(dá)復(fù)雜曲面反求工程軟件RE-SOFT，等等。

1.3 光學(xué)自由曲面加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

光學(xué)自由曲面加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)方面。高精度復(fù)雜曲面光學(xué)零件的加工，體現(xiàn)了超精密加工技術(shù)的最高水平。光學(xué)自由曲面零件形狀精度的加工過(guò)程中有著極其嚴(yán)格的要求，精度等級(jí)務(wù)必達(dá)到微米或亞微米級(jí)，表面的粗糙程度要求務(wù)必達(dá)到納米或亞納米級(jí)，這就導(dǎo)致光學(xué)自由曲面加工極為復(fù)雜多變。由于曲面光學(xué)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(dǎo)致其大都極難進(jìn)行加工。因此采用超精密磨削、研磨和拋光，計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形等技術(shù)，保證光學(xué)自由曲面加工的順利完成。

1.4 基于逆向工程的復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)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(jìn)行全方位掃描，從而獲得產(chǎn)品表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后通過(guò)逆向建模進(jìn)行實(shí)體模型重構(gòu)，最終加工形成產(chǎn)品的制造技術(shù)?；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(fù)雜的曲面加工方式，同時(shí)也是較為成熟且運(yùn)用廣泛的方式。采用三維數(shù)據(jù)掃描技術(shù)進(jìn)行實(shí)體物質(zhì)掃描，從而在計(jì)算機(jī)中展開(kāi)模型建造、修改并生成NC程序代碼，最終和數(shù)控機(jī)床進(jìn)行通訊，以便快速進(jìn)行加工制造。采用此方式能夠快速展開(kāi)復(fù)雜曲面的制作過(guò)程，同時(shí)在CAD系統(tǒng)計(jì)算機(jī)建模中，能夠?qū)ο嚓P(guān)模型施以二次創(chuàng)新，因此在工業(yè)設(shè)計(jì)、模具型面設(shè)計(jì)及制作等領(lǐng)域應(yīng)用偏多。其主要工序包括樣品數(shù)字化掃描及數(shù)據(jù)預(yù)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(jìn)行數(shù)控加工。

2 基于逆向工程的復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)分析

2.1 數(shù)字化掃描技術(shù)

三維數(shù)據(jù)采集包括接觸式及非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量采用點(diǎn)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(jiǎn)單，或所需數(shù)據(jù)不多的表面數(shù)字化場(chǎng)合。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)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(cè)量時(shí)接觸所產(chǎn)生的壓力，較為柔軟的零部件易出現(xiàn)測(cè)量誤差，且存在測(cè)頭半徑三維補(bǔ)償問(wèn)題。非接觸式測(cè)量時(shí)測(cè)頭不會(huì)接觸到物體表面，且相關(guān)數(shù)據(jù)不需要依賴(lài)于介質(zhì)進(jìn)行傳遞，如激光媒介激光三角形方式及斷層掃面測(cè)量。非接觸式測(cè)量速度極快，不會(huì)造成零件刮傷，對(duì)周?chē)h(huán)境要求不高，且不存在測(cè)頭半徑三維補(bǔ)償問(wèn)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(yù)處理

在測(cè)量過(guò)程中，由于測(cè)量設(shè)備裝置自身不足及被測(cè)零件表面質(zhì)量等因素影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)獲取中會(huì)出現(xiàn)某些跳點(diǎn)及壞點(diǎn)，對(duì)最終測(cè)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(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理包括以下方法，一是測(cè)量數(shù)據(jù)噪聲點(diǎn)的消除；二是數(shù)據(jù)插補(bǔ)；三是冗余數(shù)據(jù)清除，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化；四是進(jìn)行數(shù)據(jù)光整，對(duì)不同的定位測(cè)量數(shù)據(jù)施以歸一處理，接觸式測(cè)量數(shù)據(jù)還應(yīng)消除測(cè)頭半徑帶來(lái)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(diǎn)，再采用計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)構(gòu)造曲面CAD模型。對(duì)復(fù)雜型面來(lái)講，使用一個(gè)曲面來(lái)擬合全部數(shù)據(jù)點(diǎn)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(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)分置在不同區(qū)域內(nèi)，在各個(gè)區(qū)域之內(nèi)擬合出不同曲面，再采用曲面求交及曲面過(guò)渡方式，把不同的曲面進(jìn)行連接，從而形成整體。準(zhǔn)確的三維測(cè)量數(shù)據(jù)分割及擬合技術(shù)屬于逆向工程中的關(guān)鍵。

逆向工程技術(shù)包括三類(lèi)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(jìn)行曲面物體詳細(xì)描述。NURBS曲線的曲面重構(gòu)方式通常是經(jīng)過(guò)相關(guān)控制點(diǎn)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(shù)。

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(diǎn)NURBS截面曲線后，生成插值于u向及v向邊界型值點(diǎn)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(shù)擬合所生成的若干封閉及光滑NURBS曲面，把各個(gè)分塊的曲面施以拼接、過(guò)度、延伸、裁剪和光整，最終形成實(shí)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(guò)程中，刀具軌跡對(duì)復(fù)雜曲面零件加工有著極為關(guān)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(yīng)用最為廣泛的一項(xiàng)技術(shù)。刀具軌跡規(guī)劃合理與否不僅直接關(guān)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(huì)對(duì)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(jiǎn)視圖。

圖2 空間凸輪曲面數(shù)控加工刀具軌跡方程建模簡(jiǎn)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(gè)參數(shù)平面上，并且沿著u線及v線進(jìn)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(diǎn)是刀具軌跡計(jì)算簡(jiǎn)便、速度極快，但存在刀具軌跡排列密集、加工效率偏低等問(wèn)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)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(guó)首先提出，在分析球頭刀三軸加工時(shí)，采用等殘留高度計(jì)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(shí)間。

隨著復(fù)雜曲面應(yīng)用范圍地不斷擴(kuò)大，尤其是計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制技術(shù)地不斷發(fā)展，促使復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)取得了跨越式進(jìn)步，已經(jīng)成為機(jī)械制造業(yè)最關(guān)鍵的組成部分。近年來(lái)國(guó)內(nèi)復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)整體上雖有很大進(jìn)步，但與國(guó)際水平仍存在一定差距。因此，分析基于逆向工程的復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)械設(shè)計(jì)及制造水平的提升有著極大現(xiàn)實(shí)意義。

[1]黃斌達(dá),王琦,陳發(fā)威.復(fù)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(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2010 (12):97-100.

[2]劉紅軍,張愛(ài)國(guó),趙吉賓,等.復(fù)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(shù),2014(6):5-10.

[3]周志雄,周秦源,任瑩暉.復(fù)雜曲面加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010(17):105-113.

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[5]關(guān)曉冬.淺析復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)及其應(yīng)用[J].電子世界,2014(8):256-257.

［責(zé)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(xué)“十二五”規(guī)劃青年科研骨干專(zhuān)項(xiàng)課題（JGZXQEB083）

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