基于逆向工程的复杂曲面数控加工技术研究

赵旭

摘要曲面自由设计及加工是现代制造业中常见的生产技术之一，随着计算机及CAD技术的迅速发展，自由曲面产品的加工及设计更加高效。近年来，越来越多的复杂曲面产品层出不穷，对基于逆向工程的复杂曲面数控加工技术进行研究讨论对于现代制造业的发展有着现实意义。

关键词逆向工程；复杂曲面；数控加工技术

复杂曲面造型技术属于计算机辅助设计及计算机图形学范畴之内，对于制造业而言有着里程碑式的意义，该学科起源于20世纪60年代，是在计算机图像系统的条件之下进行曲面的展示设计显示分析，目前，复杂曲面造型技术已经形成了比较健全的几何理论体系。逆向工程同样是现阶段应用普及度较高的一项加工成形技术，实际的工作过程中需要采用一定的技术手段对已有的产品样件进行扫描，得到表面点云数据之后，利用逆向建模技术重构实体模型。基于逆向工程的复杂曲面加工技术是现代加工制造业发展的关键技术之一，下文就该技术主要内容进行简单的探究讨论。

1数字化扫描技术

三维数据采集过程中主要有2种手段，分别是接触式测量和非接触式测量。接触式测量也就是一种点位触发式的的测量方法，这种数据采集方法速度较慢，主要用于表面数字化数据相对较少、形状简单的工件，具有测量精度高、抗干扰性好、容易操作、成本低等优点，但实际的测量过程中，由于需要与被测物体直接接触，会产生一定的压力，当零部件比较柔软时，可能会存在一定的测量误差。非接触式测量时则不会出现这一问题，因为不用与被测物体直接接触，因此速度快、不会损伤零部件，对环境也没有太高的要求，零件质地比较柔软时不需要担心测量误差问题，精度较高。

2CAD曲面模型重构

将零部件的曲面原型数字化之后，会形成一系列的空间离散点，利用这些离散点能够构建零件曲面的CAD模型。如果零件的型面比較复杂，只使用一个曲面不能够将全部的数据点拟合出来，因此需要根据零件曲面的原型特征，将全部的测量数据点分别置于不同的区域之内，在各个区域之内拟合出不同的曲面，然后采用曲面过渡及曲面求交的方法将这些曲面连接起来，形成一个整体。可以说逆向工程中，三维测量数据的分割及拟合直接决定了工程的质量。

逆向工程技术之中主要有3种曲面重构的方法。其中基于NURBS曲线的曲面重构方式是现阶段使用的较为成熟的CAD曲线重构技术。这种重构技术具有良好的几何不变形性及局部形状控制力，具体的应用过程中，首先使用CAD软件的生成具有较多条插值点NURBS曲线及插值于u、v两向的边界型值点NURBS边界曲线，随后利用曲面造型技术拟合光滑的NURBS曲面，将不同的曲面进行拼接、过度、延伸、裁剪以及光整，所有的处理工序完成之后，实体表面形状及尺寸形成，在此过程中必须要保证零件曲面模型的误差始终处于一定的范围之内。

3数控加工刀具轨迹生成

刀具轨迹指的是零件加工过程中刀具相对于工件的运动路线，复杂曲面零件数控加工的过程中，刀具轨迹的合理性会影响零件加工的质量、成功率、加工的成本及生产的效率，除此之外也会影响到刀具使用期限，因此，逆向工程研究的一个重点问题即CAM生成数控加工刀具轨迹。数控加工过程中必须要根据具体的加工工艺及零件结构的特点合理的选择走刀的方式及方向。要确保走刀步长分布合理、切削行间距分布均匀，一般来说，刀具轨迹优劣主要的评价指标有刀具轨迹方向的一致性、连续性、长度等。目前，数控加工过程中，常见的刀具轨迹生成方法有多面体法、投影法、参数线法等几种。多轴线数控加工刀具轨迹生成之中经常会应用到等参数线加工方式，这种刀具轨迹生成方式之下，刀具的轨迹一般大多在u、v两个参数平面之上，沿着u、v线排列，在曲面上可以获得刀具的位置，这种刀具轨迹生成方法具有计算简单、速度快的优点，但是实际的应用过程中由于刀具的轨迹排列比较密集，加工的效率比较低，且这种方法大多应用于单曲面加工，零件表面由许多张不规则的曲面拼接形成时，使用这种加工方法难以达到预期的效果。

截面线加工方式在品性平面、曲面去切被加工表面应用较多，实际的使用过程中能够截出系列的交线、刀具和被加工曲面接触位置，刀具沿着交线的方向进行运动就能够完成曲面加工的过程，但在组合曲面的加工之中，刀具轨迹采用截面与加工曲面求交的方法进行生成，比较简单。

4数控加工的后置处理

刀位轨迹计算属于数控加工编程的前置处理阶段，为了使得前置处理通用化，需要将刀位轨迹文件进一步转化，变成选定的数控机床能够执行的数控程序，这一个步骤被称为后置处理。处理的主要任务是根据机床的结构及控制指令的具体格式将前置处理过程中的刀位数据转换为机床中各轴的运动数据，按照一定的控制指令格式转换为加工程序，一般主要包括机床运动变换及数控加工程序生成两部分内容。后置处理的具体流程如图2所示。

5结论

随着计算机及自动化技术的快速发展，复杂曲面数控加工技术取得了很大的进步，本文主要从数字化扫描、数据预处理、CAD曲面模型重构、数控加工刀具轨迹CAM生成等几个方面就逆向工程的复杂曲面数控加工技术进行了简单的分析，仅为有关研究人员的这部分工作提供简单的参考。