基于逆向工程的復雜曲面數控加工技術研究

廖永勝

（廣西理工職業技術學校，廣西 南寧 530033）

逆向工程指的是在各種條件所缺少的情況下，通過對模型的分析研究通過各種數字技術以及先進的科學技術對模型的內部結構和外在特征進行分析研究，從而得到一種可以批量生產的技術，例如CAD技術，這就是科技發展的產物，同時也是逆向工程最重要的一部分。

基于目前市場競爭激烈的現狀，為了降低成本和提高效率，實現高質量低成本，進而增加產品的收益和競爭力，在這種環境下，分析以及分解逆向工程中的復雜曲面數控技術的成果成為了各個企業所迫切想要得到的結果。因此復雜曲面數控技術是企業之間競爭所必須具備的一項技術，這也就導致了復雜曲面數控技術的飛速發展。對逆向工程樣品的加工處理主要包括產品CAD建模、數據預處理、數字化掃描、加工方案等四個方面。

1 掃描技術的數字化

接觸和非接觸式是數據采集的方式，同時也是非常重要的兩種技術。接觸式的采集測量技術由兩種數據采集方式所構成，一是，點位觸發方式；二是，連續式數據采集結構。點位觸發式的優點是簡單而方便，缺點是比較不具體缺少細化這一方面的內容，其主要應用于規模較小的測量，同時其采集速度相對較低，一般只用于零件表面形狀及規格的測量，數字化成都相對較低。與觸發式數據采集相比較，精細而準確是連續式數據采集的最大的優點，如掃描測量儀和監控測量儀，由于其具有較快和較精準的采集速度，所以滿足絕大部分大規模數據采集的要求。

接觸式測量方法雖然成本較低，操作簡單，精度較高，抗干擾能力較強，但是由于測量時接觸壓力的存在，這就導致了一些質地柔軟體積較小的的零件測量存在較大的誤差。對于非接觸式測量，測量時不能接觸到帶測物體表面，這是最基本也是最重要的要求，因為這直接關系到測量的準確性，同時電、磁場、激光、聲波等是其數據傳遞最基本的載體，其中最常見的載體就是激光載體。與接觸式測量相比，可滿足遠距離工作、對零件損傷程度較小、速度快、不存在測頭半徑三維補償問題、可滿足遠距離工作、對環境要求低且適用于質地柔軟或彈性材料制成的零件的優點就顯得格外的明顯，這些優點也正是非接觸式數據采集近年來飛速發展的原因。隨著數據采集要求的日益需求，一種新型的測量技術也隨之而生，這就是斷層掃描測量技術。斷層掃描測量是一種新興的測量技術，可以忽視物體復雜程度進而對零件表面和內部結構同時進行精確測量。

2 數據預處理

數據處理的過程中，測量的是否精確和外在的環境息息相關。機器的精度，儀器設備的陳舊以及設備的不足等等都是影響因素，同時待測零件的質量、表面狀況以及測量儀器的半徑等也是不可忽視的內在因素，這些因素直接影響到了最終的三維框架模型結構。所以消除這些影響因素是在進行實驗結果處理前必須要消除的對象。在實驗數據測量之前，要對影響實驗測量的多余參數進行消除，對實驗數據進行插入補充和刪除誤差大的一項。從而才能使數據更加精確優化，處理數據時才能將各種不同的測量結果進行分類歸化統一。

3 CAD曲面模型的重構

3.1 產品逆向建模

在逆向建模的過程中，其最常用的軟件是Geomagic Studio。其基本內容和方式便于操作者直接完成逆向建模的過程，主要包括以下方面：①編輯點云進行編輯指令的操作；于在點云的幫助下進行三角網格的處理，編輯，加工，包裝；③構建四邊形模型邊界的最初模型；④曲面階段的柵格化以及NURSS的應用。

3.2 CAD模型及曲面構建

（1）曲面重建的點階段。曲面重建的最重要階段莫過于點階段的構造。在這一階段由于構造過程中的無用點比較多，因此要利用“減少噪音”這一技術來刪除多余的無用的點，如果點數過多構成了點云，這時為了節省工作時間就要采用重新處理點數據的方式對點云進行重新采樣處理。最后將所得到的結果點導入數據進行封裝。這里所默認導入的是將點云數據導入Geomagic Studio，這也稱為最后的封裝階段。下面介紹下Geomagic Studio軟件的采樣方式（統一采樣、隨機采樣、曲率采樣、對點采樣和等距采樣）。這一階段的封裝即可全部完成。

（2）三角網格（封裝）階段及多邊形階段。多邊形是由各種圖形組成的，這其中包含著大量的三角形，因此多余或不精確的點構成的三角形進行編輯處理可以改變模具基本屬性。這時通過刪減增加等方式達到所需三角形的個數，再通過“填充孔”對不同半徑曲率的孔進行優化填充，達到最終的要求效果。三角網格的封裝和多邊形階段的處理通常還有其他的步驟，經過以上的三個重要步驟處理后，四邊形的曲線模型的構造就會顯得得心應手了，同時四邊形曲線構造對NURBS曲面的構建建立存在著不可揮滅的作用，也是其曲面建立的核心。

（3）曲面階段。通過四邊形邊界的構建劃分，再進行重疊部分的刪減，進而可以得到準確的構造曲面模型，便可以得到產品的最終模型了。

4 利用CAM生成數控加工刀具軌跡

就目前這一階段來看，有許多不同的軟件可以應用到數控加工這一生產過程中，但是其基本原理都大經相同，無論是其產品軌跡生產方式還是產品生產所采用的工藝都相似。其最常見的工具就是利用CAM數控加工技術對各種產品進行表面簡化以及對曲面進行數控加工。

（1）等參數線加工方法。等參數線加工是滲透在數控加工過程中最常用的加工方式，是利用數學原理中的一維、二維、三維模型進行操作。例如在生產刀具的過程中，刀具軌跡整齊排列在X、Y參數平面上，刀位的計算可以在曲面或曲面的等距面上進行求解。但是這同樣具有速度、復雜度、排列密度上的優缺點，這是不可避免的因素。

（2）截面線加工方法。截面線的加工包含著曲面，平面，以及曲面平面相結合，這兩種加工方式的結合能夠有效地得到加工過程中所需要的接觸面、交線等。切被加工表面之后便可以得到一系列交線，刀具在曲面的焦點處伴隨著交線運動就完成了曲面加工。這種加工方式有自身獨特的優點，但是同樣這一操作的缺點也相對較明顯，為了克服這一缺點因此在加工過程中一般采用平面進行處理。

（3）等殘留高度法。等殘留高度法是由美國加州大學的K Suresh和D Yang提出的。其目的是為了解決刀具加工時球頭刀加工的困難，主要內容包括如何運用數控技術計算步距，如何解決軌跡間的空隙達到最小，或者使軌跡間的剩余高度達到最大，從而達到縮短時間的目的以節約成本。曲面加工還包括投影方法、等值粗線加工法和曲線插值法等等，這些都是非常實用的曲面加工方法。但是這些方法都有其各自的試用范圍，需要在實際的加工和操作過程中合理的選擇利用，合理運用才能有效的提高產品的加工速率和加工精度。

5 結語

伴隨著經濟的發展，新型技術的出現是科技發展的必然產物。作為現代科技產物的逆向工程是研發模型和設計模型以及制造領域的研發者的重點研究對象也是模型建造的發展方向。在逆向工程技術的基礎上通過計算機以及CAD/CAM技術進行操作可以節約人力上和時間上的的花費，同時也可以提高產品的成品率和產品精度，有效地解決了復雜產品的加工難題等等。增強了企業之間經濟競爭力，有利于推動社會經濟以及國家GDP的發展實現國家的工業化進程。由此可見，逆向工程的研究是創造力和先進技術發展進步的重要手段，同時其對于我國科學技術的發展和人民生活水平的提高自己實現中華民族的偉大復興具有重大貢獻，同時也是世界科技水平進步的應證。逆向工程的復雜曲面技術的研究必然會成為未來的一大研究課題。

參考文獻

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