逆向工程复杂曲面数控加工技术分析

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摘要：所谓逆向工程，其主要是指在缺失完整的设计图纸或者没有设计图纸和CAD模型时，以当前拥有的实物模型为参考，利用各种数字化扫描技术来重新构造产品样本的CAD模型。与此同时，还需要使用先进的CAD技术来制造、改进和修改产品的样本形状，从而使得模型产品可以被最终加工出来。利用逆向工程对复杂曲面进行数控加工是一种新型的加工技术，对其进行全面的分析和研究，对于促进相关产业的发展具有重要作用。

关键词：逆向工程；复杂曲面；数控加工技术

利用逆向工程对复杂曲面进行数控加工，主要利用CAD系统生产的CAD模型与NC加工程序等，是当前一种比较成熟且应用范围较为广泛的复杂曲面加工技术。该项技术主要是利用三维数据扫描，在扫描过实物之后，在计算机设备中进行建模和完善，生成NC程序，并与数控加工机床产生通讯，从而快速的完成产品模式的制造。在加工复杂曲面过程中使用此种方法，不仅可以提高曲面的制作速度，还能够对CAD模型进行再次创新。因此，对该项加工技术进行具体研究，对于推动制作和模型设计行业的发展具有重要作用。

1数字化的扫描技术

一般情况下，主要通过接触式与非接触式方法来采集三维数据，其中，接触式测量方法包括连续式的数据采集和点位触发式的采集数据方式。在接触式采集中，电位触发式采集方式的采集速度比较慢，只适用于需要数据量少的表面数字化或者是检测零部件表面形状等场合；连续式采集法的采集速度比较快，可以应用在一些需要大规模采集数据的场合。从效果上来看，接触式测量具有精确度高、操作简便、采集成本低以及抗干扰能力强等优势，但由于该方法在测量过程中存在接触压力，所以在测量一些质地比较柔软的零件时，容易产生误差较大的测量结果；并且，该方法的测头半径还存在着三维补偿的问题。非接触式的测量方式由于测头不需要与其测量物体的表面直接接触，主要依靠激光、电磁场和声波等方式来传播数据，所以不会产生接触压力。目前，常见的测量方式主要有：以激光作为传播媒介的断层扫描测量和激光三角形测量法。与此同时，非接触测量还拥有测量速度快、测量过程中不会损坏零件表面、测量距离远、对测量环境要求低、不存在三维补偿问题以及适用于测量弹性较大或者是质地较为柔软的零部件等优势，这也使得该项测量技术在近些年得到了快速的发展[1]。

2数据预处理

受设备自身缺陷或者是零件表面质量等方面因素的影响，使得获取测量数据的过程中经常会出现坏点或者是跳点，而为了保证数据结果的精确性，需要在重构CAD模型前，对获得的数据进行预处理[2]。数据预处理主要包括以下几个方面：一是消除掉测量数据中存在的噪声点；二是对数据中缺失的信息进行插补；插补数据中缺失的信息；三是优化数据信息，除掉多余的数据；四是对在不同定位点得到的测量数据进行归类和统一处理，并且，对于接触式测量得到的数据还需要消除掉测头半径产生的影响因素，保证数据的光整性。

3重构CAD模型

当CAD模型曲面被数字化之后，就会在空间范围内形成一系列的离散点，而重构CAD模型，就是要以这些离散点为基础，将计算机设备作为辅助，利用与几何模型设计的相关基础对CAD模型的曲面进行重新构建。一般情况下，如果重构的是复杂曲面，不可以只利用一张曲面来拟合全部数据点，而是要以曲面原型具有的全部特点为依据，将测量的数据点划分成几块不同的区域，并在各个区域内拟合出不同种类的曲面，再利用曲面过渡或者是求交的方式将不同的曲面连接成一个整体[3]。在逆向工程技术中，重构CAD模型曲面的方式有三种：第一，以NURBS或者是B-spline曲线为基础的方法；第二，以三角Bezi-er曲面为基础的方法；第三，以多面体来描述曲面物体的方法。其中，由于以NURBS曲面为基础的方法能够通过权因子和控制点改变曲面的形状，且具有较高控制局部形状的能力，所以，此种方式是当前一种比较先进的CAD模型重构法。

4使用CAM生成曲面数控加工的刀具轨迹

该方法既是当前加工复杂曲面零件技术中最重要的一种，也是研究深度最广的一种，其加工的质量、效率和可能性主要是由是否可以形成有效刀具轨迹所决定的。就目前来看，应用范围比较广泛的CAD软件类型相对较多，但无论哪一种方法，其生产刀具轨迹的方式大致相同。其中，常用的方法有：第一，截面线加工。该加工法是采用在一种平行的平面或者是一组曲面上去掉或者是切掉被加工的表面，截出一系列需要应用到的交线，然后让被加工曲面和刀具的接触点沿着交线运动，来完成曲面加工的。但由于求取曲面和曲面的交线比较困难，所以一般都在平面上选取截面。第二，等残留高度加工。主要是通过讨论在对球头刀进行三轴加工是采用等残留高度的计算方法来计算步距，在保证相邻的两个轨迹之间残留的高度值都等于最大的残留高度的基础上，以增加加工步距的方式来缩短轨迹的长度，从而达到节约加工时间，提高复杂曲面加工效率的目的。

5结论

作为当前产品开发设计和制造技术中的一种核心技术，逆向工程是模型设计与制造领域专业人员的一个重点研究方向。以逆向工程技术为基础，在CAD集成技术和计算机网络技术的支持下重构复杂曲面，不仅可以减少产品开发花费的时间，还能够提高产品的生产质量，有效解决产品在复杂曲面设计方面的相关问题，从而使得相关企业的生产效率和核心竞争力得到极大的提升。因此，基于逆向工程技术，对复杂曲面的数控加工技术进行研究，对于推动社会经济发展进步具有极高的现实意义。

作者:聂迪 赵彦如 单位:河南理工大学机械与动力工程学院

参考文献：

[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(12):97～100.

[2]关晓冬.浅析复杂曲面数控加工技术及其应用[J].电子世界,2014,08(10):256～257.

[3]陈子银.基于逆向工程的玩偶数控加工技术探讨[J].机电信息，2014，24(08):90～91.