三維曲面重構與數控技術耦合教學模式的研究

高學亮， 岳曉峰， 王平凱， 周曉東， 毛艷

（長春工業大學 機電工程學院，長春 130012）

0 引言

空間自由曲面逆向重構技術［1］，即三維掃描技術，是當今實踐工程領域數字化發展趨勢相伴而生的新的工程學科。在飛機螺旋槳、輪船渦輪葉片和日用工業產品造型等機械設計過程中，曲面逆向重構技術起到了決定性的作用。以汽車產品為例，目前，國內外汽車產品開發依然存在較大差距，特別對其汽車外飾擁有復雜空間自由曲面零部件的開發設計。在滿足工藝要求的基礎上，具備復雜曲面設計能力成為復雜曲面產品的開發關鍵，同時受其產品傳統加工方法的影響，導致開發周期長、成本高、精度低等問題，嚴重阻礙了機械產業的發展。然而，國外的主要工業產品生產廠商已將曲面逆向重構和曲面數字加工技術與機械產品開發流程達到無縫結合，實現產品特征空間曲面研發設計與數字化加工一體化，大幅度地提高機械產品開發效率。

1 非規則曲面重構技術的研究

基于三維掃描技術的結合B樣條和Bezier曲面重構［2］，在散亂數據點的曲面擬合中被廣泛應用，該方法的優點是可以在一個幾何設計系統中使用統一的數學形式，表示二次規則曲面與自由曲面，其它非有理方法無法做到這一點。并可以通過改變控制頂點、權因子等方法對NURBS曲線、曲面進行修改，且這種修改具有良好的幾何特性，計算穩定且速度快，而且有強有力的幾何配套技術（包括插入節點、細分、消去、升階、分裂等），能用于設計、分析與處理等各個環節。NURBS重構曲面在比例、旋轉、平移、剪切以及平行和透視投影變換下是不變的，基于此本文提出應用于數控實驗教學的非規則曲面重構方法，主要研究內容包括以下內容。

1.1 非規則曲面點云數據采集

通過采用三維數據掃描儀（如圖1）完成非規則曲面（汽車發動機罩蓋）點云數據的采集，該掃描儀掃描精度為0.004 mm，針對非規則曲面重構，能夠全面解析曲面的結構特征［3］，設備整體如圖1所示。通過標記點定位實現曲面空間位姿定位，在定位點定位過程中，針對曲面曲率不同曲率大定位點距離小，通常定位點直線距離在10 mm和150 mm之間，被掃曲面定位實物如圖2所示。

1.2 點云數據精簡與修復

通過三維掃描儀采集獲取非規則曲面的點云數據，為了提高特征識別的準確性和自由曲面重構效率，需要對點云進行精簡和修復處理，以凸輪輪廓曲面為例，其精簡流程如圖3所示。

由點云數據精簡處理后所獲取的結果可知，在點云內部存在點云缺陷，該缺陷會影響后期點云數據重構結果，因此需要通過點云修復完成點云缺陷修復。

1.3 點云數據曲面重構和誤差分析

對于通過精簡和修復處理獲取的點云數據，采用優化的NURBS重構方法對其曲面進行曲面重構，在誤差允許的應用條件下，通過點云數據識別曲面重構特征點和特征線，以此為基礎完成點云數據的曲面重構，重構結果如圖4。

針對獲取的非規則重構曲面，通過采用三維曲面分析軟件對重構曲面和點云數據［1］對比分析，以檢測重構曲面容差是否滿足重構要求，其處理結果如圖5所示。

2 非規則曲面數控技術的研究

針對獲取的非規則重構曲面，通過數控技術將曲面特征通過NC代碼編制［3］轉換為數控機床能夠識別的語言形式，進而實現曲面特征的實體轉換，其實現流程主要由以下幾部分組成：1）非規則曲面數據的數據傳輸，以實現曲面加工毛坯料形狀和邊界尺寸的確定；2）根據零部件非規則曲面的曲率特征和邊界尺寸，編排合理的加工工藝；3）根據零部件非規則曲面的曲面精度和配合關系，確定合理的加工參數；4）根據加工參數選擇加工對象，實現局部特征區域的加工設定與軌跡生成；5）通過軌跡仿真分析，驗證零件非規則曲面加工軌跡是否存在干涉問題；6）將經過校驗的數控加工軌跡，根據所用機床的數控系統轉換為相對應的加工代碼；7）將加工代碼通過傳輸介質傳輸至數控機床后夾持毛坯料對刀，實現包含非規則曲面的零部件加工。

以上流程為非規則曲面數控加工流程［3］，其輸出結果如圖6所示。

3 耦合教學模式實現流程與課程內容

基于三維曲面重構方法的數控加工技術，應用于實驗教學過程中，針對包含非規則曲面結構的零部件通過三維掃描儀實現非規則曲面的數據采集，通過點云數據精簡與修復處理，實現點云數據的濾波與點云重構處理，通過曲面重構與誤差分析實現重 構 曲 面 的 誤 差 檢 測［5］，在此基礎上通過數控技術實現重構曲面的數控加工并獲取實物數據，整體實現流程如圖7所示。

圖7 重構曲面與數控加工流程圖

依據重構曲面與數控加工流程圖，在本科實驗教學過程中，完成包含非規則曲面特征的零部件點云數據采集，通過三維軟件完成掃描數據的曲面重構。在此過程中，學生在老師的講解下能夠對激光雙目視覺掃描技術的掃描原理和特征標定方法有了進一步的了解，通過實際動手操作三維掃描儀，能夠進一步掌握非規則曲面點云數據的采集流程，以此為基礎通過點云處理軟件完成點云的精簡與修復，通過曲面重構軟件完成曲面的重構和誤差分析，從而獲取滿足精度要求的非規則重構曲面。將獲取的非規則重構曲面數據傳輸至數控編程處理軟件，通過NC代碼編制轉換為數控機床能夠識別的語言形式，最終獲取包含非規則曲面特征的零部件。

4 結論

三維曲面重構與數控技術耦合教學模式是從傳統實驗數控教學角度出發，通過引入激光雙目視覺掃描技術，使學生在掌握數控加工與實踐應用的同時能夠了解和應用先進制造技術，進一步提高了學生綜合運用理論知識和先進制造技術解決實際問題的能力，拓展了學生視野，啟發了學生的創新思維。

［1］ 單巖,謝龍漢.CATIA V5自由曲面造型［M］.北京：清華大學出版社，2010.

［2］ 成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，1993.

［3］ 劉虹.數控加工編程及操作［M］.北京∶機械工業出版社，2011.

［4］ 梁小立,魯統利.CATIA機械結構設計［M］.北京∶機械工業出版社，2012.

［5］ 朱理.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2009.