基于逆向工程的复杂曲面数控加工技术研究

陈佶

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

基于逆向工程的复杂曲面数控加工技术研究

陈佶

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

随着科学技术水平的不断提升，曲面自由设计及加工技术被广泛应用于现代制造业，同时由于计算机及CAD技术的持续发展，使得自由曲面产品设计及加工更为容易。在明晰复杂曲面数控加工技术发展现状的前提下，基于现存实物模型，采用数字化扫描技术将样本产品CAD模型重新构造，再运用CAD或CAM技术对产品施以改进、修形和制造，从而完成产品模型的全过程。

逆向工程；复杂曲面；数控加工

随着经济社会的不断发展，市场竞争日益加剧，各种新型技术更是有着跨越式的进步及创新，可以说技术发展已经成为经济不断增长的主要推动力。为了确保各种产品在市场竞争中处于优势，持续缩短产品开发及生产周期，同时也为了持续促进工业产品种类多样化，实现小批量、高质量和低成本的发展态势，使得复杂曲面产品品种不断增多。因此分析基于逆向工程的复杂曲面数控加工技术有着极大的现实意义。

1 复杂曲面加工技术发展现状

1.1 复杂曲面造型技术发展现状

复杂曲面造型技术，属于计算机辅助设计及计算机图形学，是最活跃且最关键的学科。随着CAD及CAM技术持续进步，促使复杂曲面造型技术日渐完善和成熟。该学科起源于飞机和船舶外形的放样工艺，于二十世纪六十年代形成基础理论，其关键是探究在计算机图像系统条件之下，进行曲面展示、设计、显示和分析等。随着时间推移及社会发展，复杂曲面造型技术已经形成了基本参数化特征设计和隐式代数曲面的表示方式，加之采用插值、拟合和逼近等方式作为骨架，形成了较为健全的几何理论体系。

对研究领域来讲，曲面造型技术早已由传统方式往曲面变形、重建和简化，亦或是转换及等距性方面发展。随着现代化工业生产的需要，其他学科相关技术方式不断被引进至计算机图形学中，逐渐出现了诸多新型造型方式，比如基于物理模型优化的曲面造型方式等。图1所示为波形刃立铣刀简视图，其中图1（a）为三菱公司直角立铣刀，图1（b）为伊斯卡公司立铣刀。

图1 波形刃立铣刀简视图

1.2 复杂曲面反求技术发展现状

计算机和数控激光测量技术地持续进步，使得反求技术脱离了复制局限，内涵和延伸等方面都有了极大的变化，成为众多产品设计方式之一。以往工程技术人员可以通过实物样件、图样等关键点，迅速获得工程设计的概念和设计模型的主要途径。直到二十世纪九十年代末期，国内复杂曲面反求技术才开始飞速发展，现如今国内部分高校和企业也都极其关注此方面的研究，如复杂曲面反求工程CAD问题、基于三角形曲面初始表达复杂曲面反求工程软件RE-SOFT，等等。

1.3 光学自由曲面加工技术发展现状

光学自由曲面加工技术被广泛应用于工业方面。高精度复杂曲面光学零件的加工，体现了超精密加工技术的最高水平。光学自由曲面零件形状精度的加工过程中有着极其严格的要求，精度等级务必达到微米或亚微米级，表面的粗糙程度要求务必达到纳米或亚纳米级，这就导致光学自由曲面加工极为复杂多变。由于曲面光学零件材料非常硬脆、自由曲面存在较大曲率变化及多变的曲率中心等原因，导致其大都极难进行加工。因此采用超精密磨削、研磨和抛光，计算机控制光学表面成形等技术，保证光学自由曲面加工的顺利完成。

1.4 基于逆向工程的复杂曲面数控加工技术发展现状

逆向工程是属于一种基于现存产品样件，采用三维扫描仪器进行全方位扫描，从而获得产品表面点云数据，然后通过逆向建模进行实体模型重构，最终加工形成产品的制造技术。基于逆向工程通常是使用CAD或CAM系统，从而生成CAD模型及NC加工程序代码，这也是目前最为复杂的曲面加工方式，同时也是较为成熟且运用广泛的方式。采用三维数据扫描技术进行实体物质扫描，从而在计算机中展开模型建造、修改并生成NC程序代码，最终和数控机床进行通讯，以便快速进行加工制造。采用此方式能够快速展开复杂曲面的制作过程，同时在CAD系统计算机建模中，能够对相关模型施以二次创新，因此在工业设计、模具型面设计及制作等领域应用偏多。其主要工序包括样品数字化扫描及数据预处理、产品CAD建模、加工方式及参数的最优选择、刀具轨迹生成、仿真建模及后置处理，最终形成NC程序代码，进行数控加工。

2 基于逆向工程的复杂曲面数控加工技术分析

2.1 数字化扫描技术

三维数据采集包括接触式及非接触式测量。接触式测量采用点位触发式数据采集，此方法采集速度不高，适用于零件表面形状简单，或所需数据不多的表面数字化场合。其优点是测量精确度高，容易操作，具有良好的抗干扰性，所需成本偏低。但由于测量时接触所产生的压力，较为柔软的零部件易出现测量误差，且存在测头半径三维补偿问题。非接触式测量时测头不会接触到物体表面，且相关数据不需要依赖于介质进行传递，如激光媒介激光三角形方式及断层扫面测量。非接触式测量速度极快，不会造成零件刮伤，对周围环境要求不高，且不存在测头半径三维补偿问题。此方法适用于质地较为柔软，或者是弹性材料所制成的零件。

2.2 数据预处理

在测量过程中，由于测量设备装置自身不足及被测零件表面质量等因素影响，导致数据获取中会出现某些跳点及坏点，对最终测量获得的三维数据模型重构造成影响，因此前期必须进行数据预处理。测量数据预处理包括以下方法，一是测量数据噪声点的消除；二是数据插补；三是冗余数据清除，从而进行数据优化；四是进行数据光整，对不同的定位测量数据施以归一处理，接触式测量数据还应消除测头半径带来的影响。

2.3 CAD曲面模型重构

曲面原型数字化之后，形成系列空间离散点，再采用计算机辅助几何设计相关技术构造曲面CAD模型。对复杂型面来讲，使用一个曲面来拟合全部数据点根本是不成立的，更是不可行的。通常是根据曲面原型特征，从而把测量数据点分置在不同区域内，在各个区域之内拟合出不同曲面，再采用曲面求交及曲面过渡方式，把不同的曲面进行连接，从而形成整体。准确的三维测量数据分割及拟合技术属于逆向工程中的关键。

逆向工程技术包括三类曲面重构方式，一是基于B-SPLINE曲线，或是NURBS曲线的曲面重构方式；二是基于三角形Beaier曲面的曲面重构方式；三是基于多面体方式进行曲面物体详细描述。NURBS曲线的曲面重构方式通常是经过相关控制点及全因子灵活性改变其状态，有着极好的局部形状控制力及几何不变形，因此使用基于NURBS曲线的曲面重构方式是现今较为成熟完善的CAD曲线重构技术。

采用CAD造型软件具备的曲线重构能力，生成更多条插值点NURBS截面曲线后，生成插值于u向及v向边界型值点NURBS边界曲线（u向及v向截面线分别生成NURBS曲线）。然后再采用曲面造型技术拟合所生成的若干封闭及光滑NURBS曲面，把各个分块的曲面施以拼接、过度、延伸、裁剪和光整，最终形成实体表面形状及尺寸，并保证曲面模型误差在规定范围之内。

2.4 CAM生成数控加工刀具轨迹

在数控加工过程中，刀具轨迹对复杂曲面零件加工有着极为关键的影响，因此CAM生成数控加工刀具轨迹是目前研究最为深刻、应用最为广泛的一项技术。刀具轨迹规划合理与否不仅直接关系到加工的成功率、工件的质量、加工成本和生产效率，而且还会对刀具使用寿命造成影响。图2所示为空间凸轮曲面数控加工刀具轨迹方程建模简视图。

图2 空间凸轮曲面数控加工刀具轨迹方程建模简视图

2.5 等参数线加工方式

等参数线加工方式通常使用在多轴线数控加工生成刀具轨迹中，刀具的轨迹通常是在u及v两个参数平面上，并且沿着u线及v线进行排列，刀具位置能够在曲面及曲面等局面上获得。此方式优点是刀具轨迹计算简便、速度极快，但存在刀具轨迹排列密集、加工效率偏低等问题。

2.6 截面线加工方式

截面线加工方式均使用平行平面，或者是曲面去切被加工表面，从而截出系列交线、刀具和被加工曲面接触位置，沿着交线进行运动，实现曲面加工。由于曲面和曲面求交非常不易，因此选择的截面通常是平面。

2.7 等残留高度方式

等残留高度方式由美国首先提出，在分析球头刀三轴加工时，采用等残留高度计算步距方式，即确保相邻轨迹之间所残留的高度值等于最大允许残留高度，从而有效提升加工步距，缩减轨迹程度，节省加工时间。

随着复杂曲面应用范围地不断扩大，尤其是计算机及自动控制技术地不断发展，促使复杂曲面数控加工技术取得了跨越式进步，已经成为机械制造业最关键的组成部分。近年来国内复杂曲面数控加工技术整体上虽有很大进步，但与国际水平仍存在一定差距。因此，分析基于逆向工程的复杂曲面数控加工技术对国内机械设计及制造水平的提升有着极大现实意义。

[1]黄斌达,王琦,陈发威.复杂曲面零件的逆向建模及数控加工仿真的研究[J].组合机床与自动化加工技术,2010 (12):97-100.

[2]刘红军,张爱国,赵吉宾,等.复杂曲面五轴数控加工中刀具位置优化[J].航空精密制造技术,2014(6):5-10.

[3]周志雄,周秦源,任莹晖.复杂曲面加工技术的研究现状与发展趋势[J].机械工程学报,2010(17):105-113.

[4]雷蔓,吕健,刘征宏,等.基于逆向工程及数控技术的曲面产品设计制造[J].制造业自动化,2014(20):52-55.

[5]关晓冬.浅析复杂曲面数控加工技术及其应用[J].电子世界,2014(8):256-257.

［责任编辑：刘 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

辽宁省教育科学“十二五”规划青年科研骨干专项课题（JGZXQEB083）

陈佶（1987-），女，辽宁锦州人，助教，学士，研究方向：数控技术。