一種車削機(jī)械加工表面模擬方法探析

翟彥飛

（雅安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 雅安 625000）

1 車削表面數(shù)據(jù)測(cè)量與去噪

應(yīng)用數(shù)控機(jī)床對(duì)45鋼進(jìn)行車削加工，獲取粗糙度值為Ra=1.6、Ra=3.2和Ra=6.3的加工表面。本文選擇徠卡3D共聚焦輪廓顯微測(cè)量?jī)x(DCM-3D)，如圖1所示。

圖1 徠卡3D共聚焦輪廓顯微測(cè)量?jī)x

在用測(cè)量?jī)x測(cè)量車削加工表面時(shí)，由于測(cè)量環(huán)境等的干擾，測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)存在噪聲點(diǎn)。選取粗糙度值Ra=3.2的車削表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)在MATLAB中繪制其三維原始形貌，如圖2所示。從圖2可以更加直觀地觀察到噪聲點(diǎn)的存在。如果這些噪聲點(diǎn)不被去除掉，會(huì)影響后期表面的模擬精度。本文選用正交整體最小二乘平面擬合法去除噪點(diǎn)。去噪點(diǎn)后的三維形貌圖如圖3所示，從圖3可以更加清楚地看到之前的一些噪點(diǎn)已被去除，證明本文所選用的去噪點(diǎn)方法可用。

圖2 Ra=3.2車削粗糙面原始三維相貌圖

圖3 Ra=3.2車削粗糙面去噪點(diǎn)后三維相貌圖

2 數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)

采用徠卡3D共聚焦輪廓顯微測(cè)量?jī)x對(duì)不同粗糙度值的車削加工表面進(jìn)行測(cè)量時(shí)所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常大，大約有40萬(wàn)個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本文選用CATIA軟件進(jìn)行逆向建模，將這么大量的數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA軟件中需要很長(zhǎng)的時(shí)間，也對(duì)電腦硬件的要求很高。為了提高建模的效率，在保證表面形貌不失真的前提下，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)。本文選用CATIA軟件中數(shù)字化曲面設(shè)計(jì)(Digitized Shape Editor)模塊中公差球方式對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)。選用這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)是因?yàn)檫@樣過(guò)濾的點(diǎn)云數(shù)據(jù)較平均，不會(huì)影響表面整體形貌。數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)前、后點(diǎn)云圖如圖4所示。

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)對(duì)比圖

3 粗糙表面建模

選用CATIA軟件進(jìn)行逆向建模，是因?yàn)檫@款軟件有很強(qiáng)的曲面建模模塊。CATIA逆向設(shè)計(jì)包括兩個(gè)模塊：數(shù)字化曲面設(shè)計(jì)(Digitized Shape Editor)和快速曲面重建(Quick Surface Reconstruction)。數(shù)字化曲面設(shè)計(jì)模塊主要用于逆向建模前期處理，主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)和合并等。在CATIA軟件中完成前期處理后，再使用快速曲面重建模塊進(jìn)行曲面創(chuàng)建并對(duì)曲面進(jìn)行編輯，完成曲面建模設(shè)計(jì)，兩個(gè)模塊界面如圖5和圖6所示。

圖5 Digitized Shape Editor模塊

圖6 Quick Surface Reconstruction模塊

圖7 為粗糙度值Ra=1.6車削表面逆向建模過(guò)程，首先在MATLAB軟件中對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪點(diǎn)操作，去噪點(diǎn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA軟件中進(jìn)行逆向建模。在CATIA軟件中，首先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)，然后在Digitized shape Editor模塊和Quick Surface Reconstruction模塊中完成車削表面模型創(chuàng)建。粗糙度值Ra=3.2和6.3車削真實(shí)粗糙表面逆向建模過(guò)程跟Ra=1.6完全相同。為了驗(yàn)證逆向建模所得粗糙表面的可行性，將逆向建模粗糙表面與Leica測(cè)量形貌進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。由圖8可知逆向建模圖與測(cè)量圖有很好的相似性，從而證明了此方法的可行性。圖9為采用逆向建模法所得的不同粗糙度值車削三維實(shí)體模型。

圖7 CATIA逆向建模流程圖

圖8 逆向建模表面與測(cè)量表面對(duì)比

圖9 不同粗糙度值車削表面

4 結(jié)語(yǔ)

本文探索了一種應(yīng)用CATIA軟件進(jìn)行粗糙表面建模的方法。本方法所建立的粗糙表面與測(cè)量的三維形貌圖進(jìn)行了比較，對(duì)比結(jié)果表明，逆向建模獲得的表面與測(cè)量的三維形貌圖非常接近，證明了逆向建模方法的可行性。利用本方法來(lái)創(chuàng)建真實(shí)車削表面、銑削表面，為機(jī)械結(jié)合面間面-面接觸特性研究做模型支持。