三维曲面重构与数控技术耦合教学模式的研究

高学亮， 岳晓峰， 王平凯， 周晓东， 毛艳

（长春工业大学 机电工程学院，长春 130012）

0 引言

空间自由曲面逆向重构技术［1］，即三维扫描技术，是当今实践工程领域数字化发展趋势相伴而生的新的工程学科。在飞机螺旋桨、轮船涡轮叶片和日用工业产品造型等机械设计过程中，曲面逆向重构技术起到了决定性的作用。以汽车产品为例，目前，国内外汽车产品开发依然存在较大差距，特别对其汽车外饰拥有复杂空间自由曲面零部件的开发设计。在满足工艺要求的基础上，具备复杂曲面设计能力成为复杂曲面产品的开发关键，同时受其产品传统加工方法的影响，导致开发周期长、成本高、精度低等问题，严重阻碍了机械产业的发展。然而，国外的主要工业产品生产厂商已将曲面逆向重构和曲面数字加工技术与机械产品开发流程达到无缝结合，实现产品特征空间曲面研发设计与数字化加工一体化，大幅度地提高机械产品开发效率。

1 非规则曲面重构技术的研究

基于三维扫描技术的结合B样条和Bezier曲面重构［2］，在散乱数据点的曲面拟合中被广泛应用，该方法的优点是可以在一个几何设计系统中使用统一的数学形式，表示二次规则曲面与自由曲面，其它非有理方法无法做到这一点。并可以通过改变控制顶点、权因子等方法对NURBS曲线、曲面进行修改，且这种修改具有良好的几何特性，计算稳定且速度快，而且有强有力的几何配套技术（包括插入节点、细分、消去、升阶、分裂等），能用于设计、分析与处理等各个环节。NURBS重构曲面在比例、旋转、平移、剪切以及平行和透视投影变换下是不变的，基于此本文提出应用于数控实验教学的非规则曲面重构方法，主要研究内容包括以下内容。

1.1 非规则曲面点云数据采集

通过采用三维数据扫描仪（如图1）完成非规则曲面（汽车发动机罩盖）点云数据的采集，该扫描仪扫描精度为0.004 mm，针对非规则曲面重构，能够全面解析曲面的结构特征［3］，设备整体如图1所示。通过标记点定位实现曲面空间位姿定位，在定位点定位过程中，针对曲面曲率不同曲率大定位点距离小，通常定位点直线距离在10 mm和150 mm之间，被扫曲面定位实物如图2所示。

1.2 点云数据精简与修复

通过三维扫描仪采集获取非规则曲面的点云数据，为了提高特征识别的准确性和自由曲面重构效率，需要对点云进行精简和修复处理，以凸轮轮廓曲面为例，其精简流程如图3所示。

由点云数据精简处理后所获取的结果可知，在点云内部存在点云缺陷，该缺陷会影响后期点云数据重构结果，因此需要通过点云修复完成点云缺陷修复。

1.3 点云数据曲面重构和误差分析

对于通过精简和修复处理获取的点云数据，采用优化的NURBS重构方法对其曲面进行曲面重构，在误差允许的应用条件下，通过点云数据识别曲面重构特征点和特征线，以此为基础完成点云数据的曲面重构，重构结果如图4。

针对获取的非规则重构曲面，通过采用三维曲面分析软件对重构曲面和点云数据［1］对比分析，以检测重构曲面容差是否满足重构要求，其处理结果如图5所示。

2 非规则曲面数控技术的研究

针对获取的非规则重构曲面，通过数控技术将曲面特征通过NC代码编制［3］转换为数控机床能够识别的语言形式，进而实现曲面特征的实体转换，其实现流程主要由以下几部分组成：1）非规则曲面数据的数据传输，以实现曲面加工毛坯料形状和边界尺寸的确定；2）根据零部件非规则曲面的曲率特征和边界尺寸，编排合理的加工工艺；3）根据零部件非规则曲面的曲面精度和配合关系，确定合理的加工参数；4）根据加工参数选择加工对象，实现局部特征区域的加工设定与轨迹生成；5）通过轨迹仿真分析，验证零件非规则曲面加工轨迹是否存在干涉问题；6）将经过校验的数控加工轨迹，根据所用机床的数控系统转换为相对应的加工代码；7）将加工代码通过传输介质传输至数控机床后夹持毛坯料对刀，实现包含非规则曲面的零部件加工。

以上流程为非规则曲面数控加工流程［3］，其输出结果如图6所示。

3 耦合教学模式实现流程与课程内容

基于三维曲面重构方法的数控加工技术，应用于实验教学过程中，针对包含非规则曲面结构的零部件通过三维扫描仪实现非规则曲面的数据采集，通过点云数据精简与修复处理，实现点云数据的滤波与点云重构处理，通过曲面重构与误差分析实现重 构 曲 面 的 误 差 检 测［5］，在此基础上通过数控技术实现重构曲面的数控加工并获取实物数据，整体实现流程如图7所示。

图7 重构曲面与数控加工流程图

依据重构曲面与数控加工流程图，在本科实验教学过程中，完成包含非规则曲面特征的零部件点云数据采集，通过三维软件完成扫描数据的曲面重构。在此过程中，学生在老师的讲解下能够对激光双目视觉扫描技术的扫描原理和特征标定方法有了进一步的了解，通过实际动手操作三维扫描仪，能够进一步掌握非规则曲面点云数据的采集流程，以此为基础通过点云处理软件完成点云的精简与修复，通过曲面重构软件完成曲面的重构和误差分析，从而获取满足精度要求的非规则重构曲面。将获取的非规则重构曲面数据传输至数控编程处理软件，通过NC代码编制转换为数控机床能够识别的语言形式，最终获取包含非规则曲面特征的零部件。

4 结论

三维曲面重构与数控技术耦合教学模式是从传统实验数控教学角度出发，通过引入激光双目视觉扫描技术，使学生在掌握数控加工与实践应用的同时能够了解和应用先进制造技术，进一步提高了学生综合运用理论知识和先进制造技术解决实际问题的能力，拓展了学生视野，启发了学生的创新思维。

［1］ 单岩,谢龙汉.CATIA V5自由曲面造型［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［2］ 成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，1993.

［3］ 刘虹.数控加工编程及操作［M］.北京∶机械工业出版社，2011.

［4］ 梁小立,鲁统利.CATIA机械结构设计［M］.北京∶机械工业出版社，2012.

［5］ 朱理.机械原理［M］.北京：高等教育出版社，2009.