趙旭

摘要曲面自由設(shè)計(jì)及加工是現(xiàn)代制造業(yè)中常見的生產(chǎn)技術(shù)之一，隨著計(jì)算機(jī)及CAD技術(shù)的迅速發(fā)展，自由曲面產(chǎn)品的加工及設(shè)計(jì)更加高效。近年來，越來越多的復(fù)雜曲面產(chǎn)品層出不窮，對(duì)基于逆向工程的復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行研究討論對(duì)于現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展有著現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞逆向工程；復(fù)雜曲面；數(shù)控加工技術(shù)

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)范疇之內(nèi)，對(duì)于制造業(yè)而言有著里程碑式的意義，該學(xué)科起源于20世紀(jì)60年代，是在計(jì)算機(jī)圖像系統(tǒng)的條件之下進(jìn)行曲面的展示設(shè)計(jì)顯示分析，目前，復(fù)雜曲面造型技術(shù)已經(jīng)形成了比較健全的幾何理論體系。逆向工程同樣是現(xiàn)階段應(yīng)用普及度較高的一項(xiàng)加工成形技術(shù)，實(shí)際的工作過程中需要采用一定的技術(shù)手段對(duì)已有的產(chǎn)品樣件進(jìn)行掃描，得到表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，利用逆向建模技術(shù)重構(gòu)實(shí)體模型?；谀嫦蚬こ痰膹?fù)雜曲面加工技術(shù)是現(xiàn)代加工制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，下文就該技術(shù)主要內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單的探究討論。

1數(shù)字化掃描技術(shù)

三維數(shù)據(jù)采集過程中主要有2種手段，分別是接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量也就是一種點(diǎn)位觸發(fā)式的的測(cè)量方法，這種數(shù)據(jù)采集方法速度較慢，主要用于表面數(shù)字化數(shù)據(jù)相對(duì)較少、形狀簡(jiǎn)單的工件，具有測(cè)量精度高、抗干擾性好、容易操作、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際的測(cè)量過程中，由于需要與被測(cè)物體直接接觸，會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，當(dāng)零部件比較柔軟時(shí)，可能會(huì)存在一定的測(cè)量誤差。非接觸式測(cè)量時(shí)則不會(huì)出現(xiàn)這一問題，因?yàn)椴挥门c被測(cè)物體直接接觸，因此速度快、不會(huì)損傷零部件，對(duì)環(huán)境也沒有太高的要求，零件質(zhì)地比較柔軟時(shí)不需要擔(dān)心測(cè)量誤差問題，精度較高。

2CAD曲面模型重構(gòu)

將零部件的曲面原型數(shù)字化之后，會(huì)形成一系列的空間離散點(diǎn)，利用這些離散點(diǎn)能夠構(gòu)建零件曲面的CAD模型。如果零件的型面比較復(fù)雜，只使用一個(gè)曲面不能夠?qū)⑷康臄?shù)據(jù)點(diǎn)擬合出來，因此需要根據(jù)零件曲面的原型特征，將全部的測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)分別置于不同的區(qū)域之內(nèi)，在各個(gè)區(qū)域之內(nèi)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(gè)整體?？梢哉f逆向工程中，三維測(cè)量數(shù)據(jù)的分割及擬合直接決定了工程的質(zhì)量。

逆向工程技術(shù)之中主要有3種曲面重構(gòu)的方法。其中基于NURBS曲線的曲面重構(gòu)方式是現(xiàn)階段使用的較為成熟的CAD曲線重構(gòu)技術(shù)。這種重構(gòu)技術(shù)具有良好的幾何不變形性及局部形狀控制力，具體的應(yīng)用過程中，首先使用CAD軟件的生成具有較多條插值點(diǎn)NURBS曲線及插值于u、v兩向的邊界型值點(diǎn)NURBS邊界曲線，隨后利用曲面造型技術(shù)擬合光滑的NURBS曲面，將不同的曲面進(jìn)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(shí)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(nèi)。

3數(shù)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(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)路線，復(fù)雜曲面零件數(shù)控加工的過程中，刀具軌跡的合理性會(huì)影響零件加工的質(zhì)量、成功率、加工的成本及生產(chǎn)的效率，除此之外也會(huì)影響到刀具使用期限，因此，逆向工程研究的一個(gè)重點(diǎn)問題即CAM生成數(shù)控加工刀具軌跡。數(shù)控加工過程中必須要根據(jù)具體的加工工藝及零件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)合理的選擇走刀的方式及方向。要確保走刀步長(zhǎng)分布合理、切削行間距分布均勻，一般來說，刀具軌跡優(yōu)劣主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)有刀具軌跡方向的一致性、連續(xù)性、長(zhǎng)度等。目前，數(shù)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(shù)線法等幾種。多軸線數(shù)控加工刀具軌跡生成之中經(jīng)常會(huì)應(yīng)用到等參數(shù)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(gè)參數(shù)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(jì)算簡(jiǎn)單、速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是實(shí)際的應(yīng)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(yīng)用于單曲面加工，零件表面由許多張不規(guī)則的曲面拼接形成時(shí)，使用這種加工方法難以達(dá)到預(yù)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(yīng)用較多，實(shí)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(jìn)行生成，比較簡(jiǎn)單。

4數(shù)控加工的后置處理

刀位軌跡計(jì)算屬于數(shù)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(jìn)一步轉(zhuǎn)化，變成選定的數(shù)控機(jī)床能夠執(zhí)行的數(shù)控程序，這一個(gè)步驟被稱為后置處理。處理的主要任務(wù)是根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)及控制指令的具體格式將前置處理過程中的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為機(jī)床中各軸的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，按照一定的控制指令格式轉(zhuǎn)換為加工程序，一般主要包括機(jī)床運(yùn)動(dòng)變換及數(shù)控加工程序生成兩部分內(nèi)容。后置處理的具體流程如圖2所示。

5結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)及自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，本文主要從數(shù)字化掃描、數(shù)據(jù)預(yù)處理、CAD曲面模型重構(gòu)、數(shù)控加工刀具軌跡CAM生成等幾個(gè)方面就逆向工程的復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，僅為有關(guān)研究人員的這部分工作提供簡(jiǎn)單的參考。