復(fù)雜曲面零件逆向建模及數(shù)控加工方法研究

沈羽

摘要：針對復(fù)雜曲面零件在逆向制造過程中存在的問題開展研究，采用三坐標(biāo)測量設(shè)備采集復(fù)雜曲面零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并結(jié)合Gemagic design X軟件完成對曲面逆向架構(gòu)和曲面重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜曲面零件的逆向建模。再利用Unigraphics NX軟件數(shù)控加工軟件對刀位軌跡生成、加工坐標(biāo)系設(shè)定、創(chuàng)建加工操作，完成對復(fù)雜曲面零件的數(shù)控加工，為復(fù)雜曲面零件的制造提供理論依據(jù)。

Abstract： This paper studies the problems of complex curved surface parts in the reverse manufacturing process， uses coordinate measuring equipment to collect point cloud data of complex curved surface parts， combined with Gemagic design X software to complete the reverse architecture and surface reconstruction of curved surfaces， to realize reverse modeling of curved parts. Then Unigraphics NX software NC machining software to generate tool position trajectory， set machining coordinate system， create machining operations， complete the CNC machining of complex curved surface parts， so as to provide a theoretical basis for the manufacture of complex curved surface parts.

關(guān)鍵詞：復(fù)雜曲面零件;逆向建模;點(diǎn)云數(shù)據(jù);數(shù)控加工

Key words： complex curved surface parts;reverse modeling;point cloud data;CNC machining

中圖分類號：U464.13? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）12-0229-02

0? 引言

逆向建模是一種反求工程，當(dāng)需要加工的零件缺少實(shí)物的外部尺寸、特征以及材料等素材的情況下，利用三維掃描技術(shù)獲取實(shí)際零件的三維點(diǎn)云坐標(biāo)，并將坐標(biāo)通過曲面重構(gòu)技術(shù)重新構(gòu)建實(shí)物的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型，最終通過數(shù)控加工實(shí)現(xiàn)對零件的快速制造[1]。逆向建模及數(shù)控加工中包含了多領(lǐng)域、多學(xué)科的技術(shù)，其中有硬件逆向技術(shù)、軟件逆向技術(shù)以及實(shí)物逆向技術(shù)等。與傳統(tǒng)的零件加工制造相比，逆向建模與數(shù)控加工可以在前人的基礎(chǔ)上對零件進(jìn)行創(chuàng)新，并將現(xiàn)有的零件產(chǎn)品作為參照目標(biāo)，制造出新的目標(biāo)產(chǎn)品，從而為制造業(yè)提供更多創(chuàng)新的產(chǎn)品，加快制造業(yè)的發(fā)展。基于此，本文開展對復(fù)雜曲面零件逆向建模及數(shù)控加工方法研究。

1? 復(fù)雜曲面零件逆向建模

1.1 復(fù)雜曲面零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

復(fù)雜曲面零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量決定最終模型的質(zhì)量，因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集是逆向建模中最重要的關(guān)鍵步驟。基于復(fù)雜曲面零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文選用非接觸式測量法，通過三坐標(biāo)測量設(shè)備對復(fù)雜曲面零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[2]。由于復(fù)雜曲面零件中存在較多的工件尺寸，需要沿不同方向?qū)Τ叽鐪y量，因此在測量前首先要對測量時(shí)使用的測頭進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)在校準(zhǔn)的過程中完成對測頭半徑的補(bǔ)償。開始測量后，還需要對復(fù)雜曲面零件的表面、光柵尺、導(dǎo)軌等進(jìn)行清潔，避免產(chǎn)生誤差。再使用專用的自動裝卸設(shè)備將復(fù)雜曲面零件放置在固定的位置。為了使采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，還需要對測量路徑進(jìn)行規(guī)劃，通常情況下規(guī)劃是沿著某一特征方向，順著方向采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對于復(fù)雜曲面零件而言構(gòu)建各規(guī)則元素所需最少點(diǎn)云數(shù)據(jù)如表1所示。

完成測頭的標(biāo)定后，設(shè)定相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集密度及掃描方向，開始對復(fù)雜曲面零件進(jìn)行掃描，并在掃描結(jié)束后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲為.imw格式。

1.2 曲線逆向架構(gòu)

Gemagic design X軟件的優(yōu)勢在于可以直接被Unigraphics NX數(shù)控加工軟件讀取，不需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。具體的架構(gòu)流程為：在Gemagic design X軟件界面中，在每個(gè)點(diǎn)云網(wǎng)格中創(chuàng)建一條適當(dāng)?shù)那€，并判斷每條曲線是否符合復(fù)雜曲面零件加工的精度和光順程度[3]。若不滿足要求則重新創(chuàng)建更加精準(zhǔn)且光滑的曲線;若滿足條件則進(jìn)行下一步操作。再判斷創(chuàng)建的曲線是否存在一定的連續(xù)性，若不存在則重新對曲線進(jìn)行編輯操作，若存在則將該曲線創(chuàng)建出來，完成對復(fù)雜曲面零件的曲線架構(gòu)。

1.3 曲面重構(gòu)

在 Gemagic design X軟件中包含多種創(chuàng)建零件曲面的方法，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接生成曲面、直線蒙皮、四邊界生成曲面以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)和曲線結(jié)合的方法生成曲面。本文選擇在Gemagic design X軟件中對曲面重構(gòu)的具體創(chuàng)建流程為：首先考慮后續(xù)數(shù)控加工操作對復(fù)雜曲面零件的曲面基本要求，判斷每個(gè)曲面的精度或光順是否符合加工要求，若不符合則根據(jù)后續(xù)工作的要求，在光順性和精確度之間找到平衡點(diǎn)，以滿足數(shù)控加工過程對曲面的要求;若符合要求則考慮曲面是否滿足聯(lián)系性要求，若不符合則重新對曲面進(jìn)行編輯;若符合則利用該點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建曲面[4]。創(chuàng)建后的曲面還需要在Gemagic design X軟件中對點(diǎn)云數(shù)據(jù)及曲面的偏差進(jìn)行檢測，檢查曲面及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差。通常情況下除去誤差較大的部分，保證各數(shù)據(jù)參數(shù)的誤差在±1.0mm之間。逆向建模是一個(gè)從整體到局部的 建模過程，因此首先構(gòu)建整體閉合連續(xù)的曲面，再利用CAD軟件構(gòu)建復(fù)雜曲面零件的細(xì)節(jié)特征模型。

2? 復(fù)雜曲面零件數(shù)控加工方法

2.1 刀位軌跡生成

本文選用Unigraphics NX軟件對復(fù)雜曲面零件進(jìn)行數(shù)控加工操作，首先對刀位軌跡生成。首先在被加工的復(fù)雜曲面零件的曲面上采集一組刀觸點(diǎn)，再將刀觸點(diǎn)直鉆環(huán)衛(wèi)刀位點(diǎn)，生成刀具的路徑。圖1為Unigraphics NX軟件數(shù)控加工自動編程的具體流程圖。

Unigraphics NX軟件采用的是CAD自動編程技術(shù)，因此刀具軌跡在生成過程中是面向屏幕的圖形交互完成的。將上文逆向建模得到的復(fù)雜曲面零件模型輸入到CAD中，選擇對應(yīng)的加工工具、刀具以及工藝參數(shù)等，并生成加工刀具的位置源文件。再通過后置處理得到相應(yīng)機(jī)床的加工程序。

2.2 加工坐標(biāo)系設(shè)定

加工坐標(biāo)系是在加工原點(diǎn)的基礎(chǔ)上建立坐標(biāo)，利用加工坐標(biāo)系對復(fù)雜曲面零件幾何體在數(shù)控機(jī)床上的加工位置定義，在編程過程中道具的軌跡坐標(biāo)就是根據(jù)復(fù)雜曲面零件的輪廓在加工坐標(biāo)系的坐標(biāo)明確的。利用Unigraphics NX軟件的坐標(biāo)設(shè)定功能，設(shè)置三個(gè)坐標(biāo)軸，分別為x軸、y軸和z軸，三個(gè)坐標(biāo)軸的方向規(guī)定著數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌的方向，在實(shí)際加工過程中應(yīng)當(dāng)保證毛坯在機(jī)床上的位置方便加工、對刀等操作。

在Unigraphics NX軟件中首先設(shè)定加工坐標(biāo)系，在加工環(huán)境窗口中點(diǎn)擊操作導(dǎo)航裝置，選擇其中的幾何視圖按鈕并勾選MCS選項(xiàng)。設(shè)定復(fù)雜曲面零件的加工坐標(biāo)系及工作坐標(biāo)系保持一致，即復(fù)雜曲面零件的底面為x軸和y軸的平面，刀軸的矢量方向?yàn)閦軸。在Unigraphics NX軟件中創(chuàng)建一個(gè)加工操作首先要為該操作制定四個(gè)父節(jié)點(diǎn)組，包括程序父節(jié)點(diǎn)組、刀具父節(jié)點(diǎn)組、加工幾何體父節(jié)點(diǎn)組以及加工方法父節(jié)點(diǎn)組[5]。程序父節(jié)點(diǎn)組主要用于管理各個(gè)加工操作，同時(shí)排列各個(gè)加工操作在程序中的順序。刀具父節(jié)點(diǎn)組在創(chuàng)建和選擇合適的刀具時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮復(fù)雜曲面零件的加工類型、加工表面形狀以及加工部分的尺寸大小等因素。加工幾何體父節(jié)點(diǎn)組用于指定加工的復(fù)雜曲面零件的毛胚幾何體、部件幾何體等，并指定加工加工復(fù)雜曲面零件的加工方位。在加工過程中，可以保證加工精度和加工質(zhì)量。

2.3 創(chuàng)建加工操作

在創(chuàng)建加工坐標(biāo)系后，創(chuàng)建對復(fù)雜曲面零件的加工操作。每創(chuàng)建一個(gè)操作就相當(dāng)于生成一個(gè)加工步驟，在操作過程中，單一的刀軌以及生成這一刀軌的對應(yīng)信息組成一個(gè)結(jié)合。在Unigraphics NX軟件中選擇指定的程序、幾何體和刀具后點(diǎn)擊應(yīng)用按鈕，在指定加工區(qū)域中完成對相關(guān)切削參數(shù)及非切削參數(shù)的設(shè)定。生成的刀位文件內(nèi)容中包含刀具的中心推斷數(shù)據(jù)以及相關(guān)的加工參數(shù)數(shù)據(jù)，但只有這些數(shù)據(jù)仍無法對數(shù)控機(jī)床控制。對于不同的數(shù)控機(jī)床存在不同的數(shù)控系統(tǒng)，在不同數(shù)控系統(tǒng)中同一功能的控制代碼可能不同，因此還需將刀軌文件轉(zhuǎn)換為符合特定數(shù)控機(jī)床指令的加工程序文件。通過后置處理操作將刀位軌跡轉(zhuǎn)換為被數(shù)控機(jī)床識別的數(shù)控代碼，完成對復(fù)雜曲面零件的數(shù)控加工。

3? 結(jié)束語

本文對復(fù)雜曲面零件的逆向建模和數(shù)控加工方法進(jìn)行了研究，但由于知識水平有限，研究中仍存在某些方面的不足，例如點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方法的局限性、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過程人工干預(yù)量大、逆向工程各環(huán)節(jié)獨(dú)立等問題，在后續(xù)的研究中還將對這些問題進(jìn)行更加深入的研究。

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