基于逆向工程的復雜曲面數控加工技術研究

趙旭

摘要曲面自由設計及加工是現代制造業中常見的生產技術之一，隨著計算機及CAD技術的迅速發展，自由曲面產品的加工及設計更加高效。近年來，越來越多的復雜曲面產品層出不窮，對基于逆向工程的復雜曲面數控加工技術進行研究討論對于現代制造業的發展有著現實意義。

關鍵詞逆向工程；復雜曲面；數控加工技術

復雜曲面造型技術屬于計算機輔助設計及計算機圖形學范疇之內，對于制造業而言有著里程碑式的意義，該學科起源于20世紀60年代，是在計算機圖像系統的條件之下進行曲面的展示設計顯示分析，目前，復雜曲面造型技術已經形成了比較健全的幾何理論體系。逆向工程同樣是現階段應用普及度較高的一項加工成形技術，實際的工作過程中需要采用一定的技術手段對已有的產品樣件進行掃描，得到表面點云數據之后，利用逆向建模技術重構實體模型?；谀嫦蚬こ痰膹碗s曲面加工技術是現代加工制造業發展的關鍵技術之一，下文就該技術主要內容進行簡單的探究討論。

1數字化掃描技術

三維數據采集過程中主要有2種手段，分別是接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量也就是一種點位觸發式的的測量方法，這種數據采集方法速度較慢，主要用于表面數字化數據相對較少、形狀簡單的工件，具有測量精度高、抗干擾性好、容易操作、成本低等優點，但實際的測量過程中，由于需要與被測物體直接接觸，會產生一定的壓力，當零部件比較柔軟時，可能會存在一定的測量誤差。非接觸式測量時則不會出現這一問題，因為不用與被測物體直接接觸，因此速度快、不會損傷零部件，對環境也沒有太高的要求，零件質地比較柔軟時不需要擔心測量誤差問題，精度較高。

2CAD曲面模型重構

將零部件的曲面原型數字化之后，會形成一系列的空間離散點，利用這些離散點能夠構建零件曲面的CAD模型。如果零件的型面比較復雜，只使用一個曲面不能夠將全部的數據點擬合出來，因此需要根據零件曲面的原型特征，將全部的測量數據點分別置于不同的區域之內，在各個區域之內擬合出不同的曲面，然后采用曲面過渡及曲面求交的方法將這些曲面連接起來，形成一個整體?？梢哉f逆向工程中，三維測量數據的分割及擬合直接決定了工程的質量。

逆向工程技術之中主要有3種曲面重構的方法。其中基于NURBS曲線的曲面重構方式是現階段使用的較為成熟的CAD曲線重構技術。這種重構技術具有良好的幾何不變形性及局部形狀控制力，具體的應用過程中，首先使用CAD軟件的生成具有較多條插值點NURBS曲線及插值于u、v兩向的邊界型值點NURBS邊界曲線，隨后利用曲面造型技術擬合光滑的NURBS曲面，將不同的曲面進行拼接、過度、延伸、裁剪以及光整，所有的處理工序完成之后，實體表面形狀及尺寸形成，在此過程中必須要保證零件曲面模型的誤差始終處于一定的范圍之內。

3數控加工刀具軌跡生成

刀具軌跡指的是零件加工過程中刀具相對于工件的運動路線，復雜曲面零件數控加工的過程中，刀具軌跡的合理性會影響零件加工的質量、成功率、加工的成本及生產的效率，除此之外也會影響到刀具使用期限，因此，逆向工程研究的一個重點問題即CAM生成數控加工刀具軌跡。數控加工過程中必須要根據具體的加工工藝及零件結構的特點合理的選擇走刀的方式及方向。要確保走刀步長分布合理、切削行間距分布均勻，一般來說，刀具軌跡優劣主要的評價指標有刀具軌跡方向的一致性、連續性、長度等。目前，數控加工過程中，常見的刀具軌跡生成方法有多面體法、投影法、參數線法等幾種。多軸線數控加工刀具軌跡生成之中經常會應用到等參數線加工方式，這種刀具軌跡生成方式之下，刀具的軌跡一般大多在u、v兩個參數平面之上，沿著u、v線排列，在曲面上可以獲得刀具的位置，這種刀具軌跡生成方法具有計算簡單、速度快的優點，但是實際的應用過程中由于刀具的軌跡排列比較密集，加工的效率比較低，且這種方法大多應用于單曲面加工，零件表面由許多張不規則的曲面拼接形成時，使用這種加工方法難以達到預期的效果。

截面線加工方式在品性平面、曲面去切被加工表面應用較多，實際的使用過程中能夠截出系列的交線、刀具和被加工曲面接觸位置，刀具沿著交線的方向進行運動就能夠完成曲面加工的過程，但在組合曲面的加工之中，刀具軌跡采用截面與加工曲面求交的方法進行生成，比較簡單。

4數控加工的后置處理

刀位軌跡計算屬于數控加工編程的前置處理階段，為了使得前置處理通用化，需要將刀位軌跡文件進一步轉化，變成選定的數控機床能夠執行的數控程序，這一個步驟被稱為后置處理。處理的主要任務是根據機床的結構及控制指令的具體格式將前置處理過程中的刀位數據轉換為機床中各軸的運動數據，按照一定的控制指令格式轉換為加工程序，一般主要包括機床運動變換及數控加工程序生成兩部分內容。后置處理的具體流程如圖2所示。

5結論

隨著計算機及自動化技術的快速發展，復雜曲面數控加工技術取得了很大的進步，本文主要從數字化掃描、數據預處理、CAD曲面模型重構、數控加工刀具軌跡CAM生成等幾個方面就逆向工程的復雜曲面數控加工技術進行了簡單的分析，僅為有關研究人員的這部分工作提供簡單的參考。