逆向工程復雜曲面數控加工技術分析

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摘要：所謂逆向工程，其主要是指在缺失完整的設計圖紙或者沒有設計圖紙和CAD模型時，以當前擁有的實物模型為參考，利用各種數字化掃描技術來重新構造產品樣本的CAD模型。與此同時，還需要使用先進的CAD技術來制造、改進和修改產品的樣本形狀，從而使得模型產品可以被最終加工出來。利用逆向工程對復雜曲面進行數控加工是一種新型的加工技術，對其進行全面的分析和研究，對于促進相關產業的發展具有重要作用。

關鍵詞：逆向工程；復雜曲面；數控加工技術

利用逆向工程對復雜曲面進行數控加工，主要利用CAD系統生產的CAD模型與NC加工程序等，是當前一種比較成熟且應用范圍較為廣泛的復雜曲面加工技術。該項技術主要是利用三維數據掃描，在掃描過實物之后，在計算機設備中進行建模和完善，生成NC程序，并與數控加工機床產生通訊，從而快速的完成產品模式的制造。在加工復雜曲面過程中使用此種方法，不僅可以提高曲面的制作速度，還能夠對CAD模型進行再次創新。因此，對該項加工技術進行具體研究，對于推動制作和模型設計行業的發展具有重要作用。

1數字化的掃描技術

一般情況下，主要通過接觸式與非接觸式方法來采集三維數據，其中，接觸式測量方法包括連續式的數據采集和點位觸發式的采集數據方式。在接觸式采集中，電位觸發式采集方式的采集速度比較慢，只適用于需要數據量少的表面數字化或者是檢測零部件表面形狀等場合；連續式采集法的采集速度比較快，可以應用在一些需要大規模采集數據的場合。從效果上來看，接觸式測量具有精確度高、操作簡便、采集成本低以及抗干擾能力強等優勢，但由于該方法在測量過程中存在接觸壓力，所以在測量一些質地比較柔軟的零件時，容易產生誤差較大的測量結果；并且，該方法的測頭半徑還存在著三維補償的問題。非接觸式的測量方式由于測頭不需要與其測量物體的表面直接接觸，主要依靠激光、電磁場和聲波等方式來傳播數據，所以不會產生接觸壓力。目前，常見的測量方式主要有：以激光作為傳播媒介的斷層掃描測量和激光三角形測量法。與此同時，非接觸測量還擁有測量速度快、測量過程中不會損壞零件表面、測量距離遠、對測量環境要求低、不存在三維補償問題以及適用于測量彈性較大或者是質地較為柔軟的零部件等優勢，這也使得該項測量技術在近些年得到了快速的發展[1]。

2數據預處理

受設備自身缺陷或者是零件表面質量等方面因素的影響，使得獲取測量數據的過程中經常會出現壞點或者是跳點，而為了保證數據結果的精確性，需要在重構CAD模型前，對獲得的數據進行預處理[2]。數據預處理主要包括以下幾個方面：一是消除掉測量數據中存在的噪聲點；二是對數據中缺失的信息進行插補；插補數據中缺失的信息；三是優化數據信息，除掉多余的數據；四是對在不同定位點得到的測量數據進行歸類和統一處理，并且，對于接觸式測量得到的數據還需要消除掉測頭半徑產生的影響因素，保證數據的光整性。

3重構CAD模型

當CAD模型曲面被數字化之后，就會在空間范圍內形成一系列的離散點，而重構CAD模型，就是要以這些離散點為基礎，將計算機設備作為輔助，利用與幾何模型設計的相關基礎對CAD模型的曲面進行重新構建。一般情況下，如果重構的是復雜曲面，不可以只利用一張曲面來擬合全部數據點，而是要以曲面原型具有的全部特點為依據，將測量的數據點劃分成幾塊不同的區域，并在各個區域內擬合出不同種類的曲面，再利用曲面過渡或者是求交的方式將不同的曲面連接成一個整體[3]。在逆向工程技術中，重構CAD模型曲面的方式有三種：第一，以NURBS或者是B-spline曲線為基礎的方法；第二，以三角Bezi-er曲面為基礎的方法；第三，以多面體來描述曲面物體的方法。其中，由于以NURBS曲面為基礎的方法能夠通過權因子和控制點改變曲面的形狀，且具有較高控制局部形狀的能力，所以，此種方式是當前一種比較先進的CAD模型重構法。

4使用CAM生成曲面數控加工的刀具軌跡

該方法既是當前加工復雜曲面零件技術中最重要的一種，也是研究深度最廣的一種，其加工的質量、效率和可能性主要是由是否可以形成有效刀具軌跡所決定的。就目前來看，應用范圍比較廣泛的CAD軟件類型相對較多，但無論哪一種方法，其生產刀具軌跡的方式大致相同。其中，常用的方法有：第一，截面線加工。該加工法是采用在一種平行的平面或者是一組曲面上去掉或者是切掉被加工的表面，截出一系列需要應用到的交線，然后讓被加工曲面和刀具的接觸點沿著交線運動，來完成曲面加工的。但由于求取曲面和曲面的交線比較困難，所以一般都在平面上選取截面。第二，等殘留高度加工。主要是通過討論在對球頭刀進行三軸加工是采用等殘留高度的計算方法來計算步距，在保證相鄰的兩個軌跡之間殘留的高度值都等于最大的殘留高度的基礎上，以增加加工步距的方式來縮短軌跡的長度，從而達到節約加工時間，提高復雜曲面加工效率的目的。

5結論

作為當前產品開發設計和制造技術中的一種核心技術，逆向工程是模型設計與制造領域專業人員的一個重點研究方向。以逆向工程技術為基礎，在CAD集成技術和計算機網絡技術的支持下重構復雜曲面，不僅可以減少產品開發花費的時間，還能夠提高產品的生產質量，有效解決產品在復雜曲面設計方面的相關問題，從而使得相關企業的生產效率和核心競爭力得到極大的提升。因此，基于逆向工程技術，對復雜曲面的數控加工技術進行研究，對于推動社會經濟發展進步具有極高的現實意義。

作者:聶迪 趙彥如 單位:河南理工大學機械與動力工程學院

參考文獻：

[1]黃斌達,王琦,陳發威.復雜曲面零件的逆向建模及數控加工仿真的研究[J].組合機床與自動化加工技術,2010,12(12):97～100.

[2]關曉冬.淺析復雜曲面數控加工技術及其應用[J].電子世界,2014,08(10):256～257.

[3]陳子銀.基于逆向工程的玩偶數控加工技術探討[J].機電信息，2014，24(08):90～91.