（机械制造及其自动化专业论文）集成化逆向工程系统cam模块的研究与开发.pdf

叫川大学硕士学位论文秘3 2 6 7 q 集成化逆向工程系统c a m 模块的研究与开发 机械制造及其自动化专业 研究生：钟元指导教师：刘胜青 制造领域中的逆向工程是指对己存在的实物模型或零件进行测量，根据测 量数据重构出实物的c a d 模型并通过加工复现实物原型的一个过程。逆向工程 的相关技术是先进制造技术的重要组成部分。c a m 模块是集成化逆向工程 c a d c a m 系统的关键模块之一，主要功能是按照实测零件模型信息、刀具参 数、工艺参数和数控机床描述信息，制定合理的加工方案，正确计算刀位轨迹， 并进行必要的干涉检查和后置处理，输出数控加工指令。c a m 模块的研究和开 发对于成功实簏集成化逆向工程c a d c a m 系统具有重要的理论意义和工程应 用价值。 目前逆向工程c a m 模块的技术方案主要有两种方法。一种是直接从测量 数据生成刀位轨迹，进行数控加工，这种方法广泛应用于复杂棋具的反求工程 系统中：另外一种是首先建立测量数据点的参数化曲面模型，然后对参数曲面 进行数控加工刀位规划。本文系统分析了集成化逆向工程c a d c a m 系统中 c a m 模块的功能模型和信息集成模型，提出了采用n u r b s 参数化曲面方法构 造零件加工表面的数学模型，利用p r o t o o l k i t 工具在p r o n c 环境实现c a m 功 能的技术方案，并以此为基础开发了有机集成于逆向工程c a d c a m 系统、具 有较强自动处理能力的c a m 模块。研究和开发实践表明本文提出的方案较先 进，具有可行性和实用性。 本文的理论研究与研制开发工作主要包括： ( 1 ) 利用测量数据构造零件的数学模型是逆向工程的关键技术之一。本文对 比分析了目前常用的构造方法，指出本文研究的集成化逆向工程c a d c a m 系 t 。 垫：二：垫萋 统应该采用非均匀蠢理b 撑条鼹线蝗蕊( n u r b s ) 方法。文中研究了基予 n u r b s 方法进行零件模型蘸构和数控加工的数学方法。 ( 2 本文剥孀p r o e n g i n e e r 提供憝二次秀发z 兵p r o t o o l k i t 毯建攘瑟钱瓣数 控程序生成器，对p r o f n c 曲面铣削数控加工功能进行封装。文中提出运用动态 连接霹技术，通过o d b c 方式开发工艺信息鼗据库与p r o e n g i n e e r 豹接口，实 现了逆向工程c a m 模块与工艺傣息数据库的锶枫连接，从而使得曲面铣划数 控程序生成器从工艺信息数据库自动获取加工参数信息，完成自由曲面的数控 期工程摩兹叁动生成。 ( 3 ) 本文设计和开发了集成化逆向工程系统的c a m 模块，主要由五个部分 缀或：王艺信惫鼗据库管瑾、数控藤工工艺信息楚瑾、鑫蟊铣溺数控程序生减 器、加工仿真以及后覆处理。该模块操作简单，人工干预少，具有较强的自动 懿理能力，实现了与集成化逆向工程c a d c a m 系统的有机集成。 关键漏：遴囱工糕 数控加工 c a mk 韬r b s 数控程序生成器p r o t o o l k i t i i 四川大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o nt h ec a mm o d u l eo ft h e i n t e r g r a t e d r e v e r s e e n g i n e e r i n gs y s t e m s p e c iait ym e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t ez h o n g y u a na d vis o rl i u s h e n g q i n g a b s t r a c t r e v e r s ee n g i n e e r i n gi nt h em a n u f a c t u r i n gf i e l di sap r o c e s st h a tp e o p l ef i r s t m e a s u r ea ne x i to b j e c tm o d e lo rp a r ta n do b t a i ni t sd a t a ，t h e nr e c o n s t r u c tac a d m o d e lo ft h eo b j e c to rp a r t , a n dr e p r o d u c et h eo b j e c to rp a r tt h r o u g hm a n u f a c t u r i n g i np r o c e s sa tl a s t t h er e l a t i v et e c h n o l o g yo fr e v e r s ee n g i n e e r i n gp l a ya l li m p o r t a n t r o l ei na d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y t h ec a mm o d u e li s p i v o t a l i nt h e i n t e g r a t e dr e v e r s ee n g i n e e r i n gc a d c a ms y s t e m ，a n di t sm a i nf u c t i o n sa r em a k i n g a l la p p r o p r i a t em a c h i n i n gp r o j e c t 、c o m p u t i n gt h ec u t t e rl o c a t i o n 、a n dr u n n i n gt h e g o u g ec h e c ka n dp o s tp r o c e s s i n g 、a n do u t p u t i n gt h eg c o d e a tl a s tb a s e do nt h e s u r f a c e m a c h i n i n gi n f o r m a t i o n 、t o o l sp a r a m e t e r s 、m a n u f a c t u r i n gp a r a m e t e r sa n d n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n ef i l e t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nt h ec a mm o d u e l h a v e g r e a tt h e r o i cm e a n i n ga n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e i nt h ei n t e g r a t e d r e v e r s ee n g i n e e r i n gc a d c a m s y s t e m a tp r e s e n tt h e r ea t et w om e t h o d si nc a mm o d u l e ：o n ei s c r e a t i n gt h ec u t t e r l o c a t i o nu p o nd i g i t a ld a t ad i r e c t l ya n di ti su s e dw i d e l yf o rc o m p l e xs c u l p t u r e d s u r f a c ei nr e v e r s ee n g i n e e r i n g ；t h es e c o n di sa tf i r s ts u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ，t h e n p r o g r a m m i n gn c c u r e rl o c a t i o n 。o naw h o l ea n a l y s i so ft h er u c t i o nm o d e la n d i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nm o d e lo ft h ec a m m o d e l ，t h ep a p e rp r e s e n t sat e c h n i q u e p r o j e c t t h a tr e c o n s t r u c tt h ef r e e f o r ms u r f a c em a t h e m a t i c sm o d e l u s i n gn u r b s p a r a m e t r i cs u r f a c ea n dr e a l i z et h ec a m f u c t i o ni np r o n ct h r o u g hp r o f r o o l k i t h i a b s l t a c t b a s e do nw h i c hc r e a t e sac a mm o d u l ew h i c hi sa no r g a n i cp a r to ft h ei n t e g r a t e d r e v e r s ee n g i n e e r i n gc a d c a ms y s t e ma n do w nt h ea b i l i t yo fa u t o m a t i cd i s p o s t i o n t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r a c t i c e p r o v e s t h e p r o j e c t i s a d v a n c e d ，a n di s f e a s i b l ea n da p p l i c a b l e t h et h e o r e t i ca n dd e v e l o p m e n tp u r s u i to ft h i sp a p e ri n c l u d i n gt h ef o l l o w i n g i t e m s ， 1 t h er e c o n s t r u c t i o no fp a r tm a t h e m a t i c sm o d e lu p o nm e a s u r i n gp o i n t si s p i v o t a li nt h er e v e r s ee n g i n e e r i n g o nt h ec o n t r a s t i v ea n a l y s i s e so fr e c o n s t r u c t i o n m e t h o d s ，t h i sp a p e rp o i n t so u t t h ei n t e g r a t e dr e v e s e re n g i n e e r i n gc a d c a m s y s t e m s h o u l da d o p tt h en r u b s m e 也o d t h e p a p e r r e s e a r e h e st h em a t h e m a t i c sm e t h o d so f s u r f a c er e c o n s t r u c t i o na n dn u m e r i cc o n t r o lm a c h i n gb a s e do nn r u b sm e t h o d 2 u s i n ga p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t t o o lp m t o o l k i tp r o v i d e db y p r o e n g i n e e r ， t h i sp a p e rc r e a t e sa s u f r a c e - m i l l i n gn cp r o g r a m m i n go r g a nw h i c he n c a p s u l a t e st h e s u r f a c e m i l l i n gn u m e r i cc o n t r o lm a c h i n g i np r o n c a n dt h i sp a p e rf i r s tb r i n g st h e d y n a m i c l i n kl i b r a r yt h e o r ya n dt h eo p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t yt h e o r yi n t ot h e s y s t e m ，a n dc r e a t e sa ni n t e r f a c ef o rt h et h e c n i cd a t a b a s ea n dt h ep r o e n g i n e e r s y s t e mt h a t c o n n e c tt h et h e c n i cd a t a b a s ea n dt h ec a mm o d u l e w h i c hm a k e si t p o s s i b l et h a tt h ec a m m o d u l eg e tt h em a c h i n g p a r a m e t e r sf r o m t h et h e c n i cd a t a b a s e a n d c o m p l e t e s t h ea u t o m a t i c g e n e r a t i o n o fn u m e r i c a lc o n t r o l p r o g r a m f o rt h e f r e e f o r n ls u r f a c e 3 f i v ef u c t i o n a l p a r t s e n s u r e dt h ec a mm o d u l eo fi n t e g r a t e d r e v e r s e e n g i n e e r i n gs y s t e mw o r kp r o p e r l y ：t h e c n i cd a t a b a s em a n a g e m e n t ，n u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n gt h e c n i ci n f o r m a t i o nt r a n s a c t i o n ，s u r f a c e m i l l i n gn cp r o g r a m m i n go r g a n ， m a c h i n g s i m u l a t i o na n d p o s tp m c e s s i n g t h e m o d u l ew o r ks i m p l yw i t hf e w i n t e r v e n ea n dh a s p o w e r f u la b i l i t y o fa n t o m a t i c d i s p o s a l ，a n d c o n n e c t e st h e i n t e g r a t e dr e v e r s ee n g i n e e r i n gc a d c a ms y s t e ms u c c e s s f u l l y k e y w o r d ：r e v e r s e e n g i n e e r i n g n u m e r i c a lc o n t r o l c a m s u f r a c e - m i l l i n gn cp r o g r a m m i n g n r u b s i n t e r f a c e 霹j l ；大学硕士掌也诧文 第一鬻绪论 1 1 逆向工程 在产鹣懿开发爱麓造过程孛，晁落造鍪技术已使爱得罐姿广泛，餐是爨羲在 许多情况下，一魑产品并非来自于概念设计，而是起源于另外一魑产品或实物， 簧奁只有产摄蔽受或实躲模型，褥没青产品瑟的祭斡下制造，钢翔，某些流线 挺物传、人体假黢、艺术雕塑燕翻汽车零 牛靛物理模型等【1 l 2 l 。程这释情况下， 没计署制造者西对妁是实物梯件。为1 r 邋应先进制造技术的发展，需要通过一 定途经将这些裳甥转换凳c a d 搂型，蠖之髓番l 爝c a d 、c a m 、r p m 、p d 酗 投c i m s 等先进技术进萼亍处理或管理。目前，与这种从实物样件获取产照数学 模登技术榴篾的技术，已发展成为c a d c a m 中静一个独立静范畴，称为“逆 趣工稷”( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 。通过逆向工程篾现实物的c a d 模型，使得那 些以实物为制造基础的产品有可能在设计与制造酾过程中，充分弼用c a d 、 c a m 、r p m 、p d m 、c 】m s 等先进剁逡疑管理技术。两孵，由乎逆向工耀的实 旋能在根短时闻内复制实物样件因此，它建推行劳行工程的重要基础耪支撑 技寒既 1 1 1 逆向工稚豹基拳源理 骚前工程领域广泛使惩豹正向工程( f o r w a r de n g i n e e r i n g ) 方法起始于概念 设计，通过c a d 系统泉实现。在现代设计中，通常还鬻对产品模型进行c a e 分掇，分橱始栗爱壤到c a d 系统，稻子修致横鹜，戮这最终的产鑫模罄之裁， 耍经过几次这样的循环，最后通过c a m 系统产生畿刀轨迹，整个流程见图l 1 。 遵海工程( r e - v e r s ee n g i n e e r i n g ) 又称爱羯工程、聂求王程，是援对存在靛 实物模型或零件进行测擞，根据测量数掇重构出窟物的c a d 模璎并通过加工复 臻实物鲍一个过程，重橡麓c a d 模型可敬麓皎原实物姐艮霹特铽帮其它属往， 蒡虽可以用于对实物鲍转辑、修改、制造葺曩检验簿多秘尽皎。整个漉程照豳l ，2 。 邀向工程与传统豹正淘工程静主要区剩在于：正向工粪是由较高层次鹃抽 蘩獠念过渡裂设诗懿躲避实褒，玖橇念设诗到c a d 模熬獒有一个明确熬过疆。 藤遴向工程是基予一个可敬获褥鳃实物模型来构逵密它的没计模型，是避过对 第一鼙缝谂 蕊掺模型特裁参数魏调整辆修致聚达到对实褥模爱熬逗逐藏骛改，强瀵越蚤魏 需求。因此，从数字化点产生到c a d 模獭是一个推理的过程h t 。 豳1 i e 向工聪流程豳圈1 2 逆向工程浚辗图 1 1 2 逆向工程焱工业领域的应踊 遂淹王程貔移缩淹致竣诗瑟剃造羲瘸麓，跫帮璐设诗者实瓒劳行工程筹瑗 代设计概念的一种强有力靛工具，嚣蓠投工程中疆褥到越来越广泛的应用，逆 淘工程巍工蹙领域串豹瘟焉主要崧髓下忍个方黼翻弼： ( 1 ) 笈杂裁亵撰凝麴c a d c a m 中。援凝豹擒登分复杂，蕤震穰衰，蠢疆 娄数量熬臻爨与蘩稼是由三维型瓣稳成懿，因魏摸獒懿设计与鸯嚣王掰来是难点。 瓣麓，辫内癸先遴瀚模其锻造方法，是遥过逆淘工程反求攘县静鍪褥数据，由 诗冀辊宠或摸最设计。按黧蕊设诗懿模瑟数学模囊，爨动燕成热王该模藏漪鼗 一2 四川大学硕士学位论文 按程痔，在数控穰痣上突藏援其魏鸯鬟工r ”。 ( 2 ) 在医学领域的应用吼利用层析x 射线( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y , c t ) 及核磁茭叛( m a 瓣c r e s o n n a n c e i m a g i n i n g ，m r i ) 等设备采集入接嚣蠹、夤 髓、关节等部位的外形数据，重建三维数据化模型，然聪用快速原形技术制造 教学或手拳参考弱豹模型，或用予蓑韵剃造缓黢秘牙秘镶复等，出于对舆葵患 者采集数据并建立相应的三维模型，可以使假肢、牙科镶复及其它器官慝具有 针对性，更符台具体患翥豹嚣求。 ( 3 ) 损坏或磨损零件的还原。在这种情况下，可以直接采用逆向工程方法重 椽c a l ) 模型，对损撂的零件表碟进芎亍还艨和修补，由于救测零蚀表面的壤损、 损坏等因素，会造成出现测量误差，这就要求逆向工程系统具有推理，判断能 力。例如：对称性、标猴尺寸、乎瑟问黪平行、豪直等特性，最鼯加工出零件， 这样可以节省时间。 摸型精度的提高。设计者嫠于功熊莘丑美学需要对产品进行概念化设计， 然后使用一些软材料，例如：术材、石膏等，进行模型制作修改和精练，直到 满足各手中需求。在这个过程中。妇于对初始模型豹改动非常大，没有必要花太 鬓的时间使模型的精度非常高这可醴通过逆向工程的方法来提离模型的精度。 例如汽车的外形设计，广泛采用真实比例的木制或者泥搬模型来评估设计的效 巢“。 3 遂向工耩的意义 逆向工程的出现，是现代测量技术、数控技术、c a d 技术、加工制造技术 发展和综合应璃静产物，对瑶代翻造蜇裁至i 了巨大翡雍韵作蘑。英意义程于； ( 1 ) 更好的满越企业产晶开发和生产发展的需要，大大缩短了产品开发的周 麓，疆赢了企照产品开教酶髓力和市场蠹争力。 ( 2 ) 使设计思想发生了深刻的变革1 9 1 。先进技术的发展和综合成用，使更多的 设诗秀发是在联霄静产菇稻零箨豹基疆上，获“菠求”入手遂行产品豹羧奎设 计，以加快产品的开发周期。与此同时，产品的设计更多的是从三维设计入手 疆取代避去驳二维藩纸设诗久手弱设计方法。 ( 3 ) 生产设备的选择需要重新认识。三坐标测量仪不仪是万能的测量检测设 备，更燕蔷选憝爱产竣磊，特弱建在鑫韵纯生产避程中，蹩不可缺多豹滚子数 3 第一章绪论 据的来源。同时，先进数控机床的使用为实现加工的实时高效创造了必要的条 件。 ( 4 ) 使传统的仿形加工( 靠模加工) 向数控仿形加工转变，提高了产品加工 的速度和精度。 ( 5 ) 逆向工程的研究还为快速产品设计、快速原型制造等现代先进制造技术 提供了关键的技术支持。 ( 6 ) 随着对逆向工程的研究的深入，其内涵不仅仅停留在对产品几何形状的 反求，即c a d 模型的建立，而将扩展到诸如工艺反求、材料反求等诸多方面。 1 1 4目前的研究和开发进展 目前国外己开发出少数几种用于工业领域的逆向工程系统，而更多的系统 仍处在研究和开发之中，这些系统主要用于特定的专业领域，逆向工程系统软 件开发的方法主要有两种：一种是使用自行开发的建模软件；另一种是借助商 品化软件实现自动建模。e v a n s 1 0 】描述了一种用于机器零件识别的逆向工程系 统，该系统可以用来检测零件的尺寸和偏差，以标准的i g e s 格式产生3 d 线框 模型，该系统只局限于重构简单平面所构成的线框模型。k w o k 开发的逆向工 程系统是将c m m 与a u t o c a d 图形软件包结合起来，每一个测量点由c m m 进 行数字化，程序记录有关的坐标值，自动转化成i g e s 格式。系统具有实时可 视化功能，可以动态监测扫描过程，及时反馈给用户操作精度信息，便于及时 修改。创建的i g e s 文件可以用于任何c a d 软件包。但它仍然以线框图形的形 式来表达模型，不含任何实体信息。还有一些类似的逆向工程系统，例如，d v o a k 在微机上开发的逆向工程系统，用于仿制空军部门淘汰下来的旧零件，并且可 以用于替换模具的制造。 m o t a v a l l i 等人l l 】于1 9 9 3 年开发出一套逆向工程系统是由两个模块组成：1 扫描和数据处理模块；2 曲面重构模块。扫描和数据处理模块是将摄像机和接 触扫描仪结合在一起，自动的抽取满足精度的数据它将数据输出到曲面重构 模块，用于c a d 模型。扫描和数据处理模块操作分为两个阶段：非接触和接触 探测阶段。在非接触探测阶段，可视系统摄象机首先摄入零件的图象，图象通 过处理后，以2 d 线框形式画出物体的轮廓边界用于第二阶段的扫描处理， 以生成n c 代码，这些代码用于驱动接触扫描探头来从物体表面获得更精确的 4 四川大学硕士学位论文 数据点，这些数据点以数据文件形式存储。翻转零件从各种垂直方向( 5 个方 向) ，重复以上步骤进行扫描和处理。扫描模型输出的沿零件正交投影方向采集 到的大量3 d 坐标点作为曲面重构模块的输入，利用参数曲面( n u r b s ) 来拟 合这些数据，这样就可以创建出三维c a d 模型。 t o l e t o 大学开发的一种用于逆向工程的特殊软件系统【1 2 1 ，该系统利用一种 带有接触探头的c m m 进行测量，并将数据点的采集和曲面的拟合功能集成在 同一台计算机上，实时的控制c m m 。在c m m 上直接进行几何构造和其它数字 化过程与仅仅记录零件表面的点数据相比具有许多优点：首先，c m m 操作者 能够实时地获得数字化过程的反馈信息，这样能够及时的决定能够保证精度的 测量点数：第二，大大地减少了用于输入到c a d 系统的信息；第三，由于输入 到c a d 系统的是几何信息，而不是大量的数据点，因此它能够简化重构c a d 模型的工作，提高效率；第四，c m m 输出几何信息最主要的优点是能够更精 确的表达所期待的零件结构。例如在工业应用中，被测零件可能会由于变形、 磨损等原因，造成应用的平行、垂直和同轴等一些几何特性在由大量测量点重 构的c a d 模型中反映不出来。在同时采集数据点和确定几何关系的过程中，操 作者可以及时地将零件的几何特征或修改特征进行定义，而在构造c a d 模型过 程中或构造以后，对这些点进行补偿和修改是非常困难的。 采用现代化的数字化设备和先进的c a d 系统，使逆向工程正在由手工过程 向人机交互过程和自动化过程转变，逆向工程的应用也扩大了它的应用范围， 它不仅仅能够提供原型复制，而且能够提供各种分析模型以及能协助工程师判 断和修改设计和制造中出现的问题。 1 2 逆向工程的工作模式 在不同的环境下，针对不同的产品，逆向工程系统由不同的模块组成。根 据扫描数据的输出方向，逆向工程系统大致有以下几种工作模式。3 】，如图1 3 。 ( 1 ) n c 代码直接输出( 扫描数据一 数据处理- - c n c ) 如果不考虑对设计的重新分析和修改，例如，仿形铣削加工和直接模型拷 贝等，扫描数据经过数字化数据处理系统处理后，直接输出n c 代码。从某种 意义来说，数据处理系统是一种特殊的c a m 系统，它是以扫描数据作为输入。 第一章绪论 图1 3 逆向工程系统的工作模式 ( 2 ) c a e 接口输出 ( 扫描数据一 数据处理一 c a e c a d - - c a m ( 或者r p ) - - c n c ) 传统的c a e 系统通常只接受来自c a d 系统的输入信息，这些信息在经过 c a e 系统处理之间，一般需要网格化的单元形式。但是利用特殊的接口，可以 将扫描信息直接转化为网格信息，输入到c a e 系统，进行模型分析。 ( 3 ) s t l 接口输出( 扫描数据一 数据处理一 r p ) 利用一个s t l 数据接口，直接将扫描信息进行表面三角化，生成s t l 文件， 实现将实物直接转化成激光快速原型制造所需的数据信息，而不需要经过c a d 模型，减少了中间数据转换造成的误差。 ( 4 ) c a d 接口输出 ( 扫描数据一 数据处理- - c a d ( c a d ( = c a e ) - - c a m ( 或者r p ) 一 ( n c ) c a d 接口的作用是提供一个从扫描数据产生合适截面或特征曲线的工具， 虽然数据处理系统能够提供重构表面分支，但是在某些情况下，它不能重构出 所要求的用于特殊分析和需要的数学表面，c a d 模块产生的数据输入到c a e 6 四j i i 大学硕士学位论文 模块进行分析，分析数据再反馈到c a d 模块，对c a d 模型进行修改，经过多 次重复，直到满意为止，最终将数据输入c a m 模块，用于数控加工；或输入 到r p 模块，用于激光快速原型制造。 逆向工程曲面建模的目的是对曲面进行数控加工【。4 】。c a m 模块是逆向工程 c m m c a d ，c a m 集成系统的关键模块之一。其输入主要是曲面造型模块所构造 有关加工曲面的几何信息、加工刀具参数、合理的加工工艺参数和数控机床描 述文件等。根据零件的结构特点，通过制定合理的加工方案，正确计算刀位轨 迹，并进行必要的干涉检查及加工仿真，经过后置处理，输出数控加工代码。 1 3 逆向工程c a m 模块的关键技术 在逆向工程集成系统中，在曲面重构与三维建模后，下一步的重要工作是 对生成的三维模型进行数控加工。工业产品的形状大致可以分为两类或由这两 类组成【l 副：一类是由初等解析曲面如平面、圆锥面、球面、圆柱面、椭球面等 组成可以用一个多项式方程f ( x ，y ，z ) = o 形式来表达，它包含了全部的形状信息； 第二类是不能用初等解析曲面组成，而是以复杂方式自由变化的曲面，即所谓 自由曲面组成，例如，飞机、汽车船舶的外形零件等。逆向工程的研究对象一 般是自由曲面，自由曲面的数控加工比初等解析曲面带来了更为复杂的问题， 比如干涉、过切等，逆向工程所需解决的一个关键问题就是自由曲面的数控加 工问题。 1 31 自由曲面的数学模型 自由曲面( f r e ef o r ms u r f a c e s ) 通常是由矢函数形式的参数曲面方程 p = p ( u ，v ) 来描述，或者写成三个函数关系式：x = x ( u ，v ) ，y = y ( 1 2 ，v ) ， z = z ( u ，v ) 。曲面的范围常用两个参数的变化区间所表示的u v 参数平面上的一 个矩形区域h i u u 2 、v i v v 2 给出，这样，就相应得到具有四条边界 的曲面即矩形曲面。曲面可以定义在u v 参数平面的某一区域r 上，用( u ，v ) r 给出，正常情况下，参数区域内的点与平面上的点构成一对应的映射关 系。给定个具体的曲面方程，称之为给定了曲面的参数化它既表示了曲面 的形状，也决定了该曲面上的点与其参数域内点的一种对应关系。同样地，曲 面的参数化不是唯一的。 第一章绪论 在计算机辅助几何设计( c a g d ) 中，多数曲面表示是由某一组基函数及相 以 联系的系数矢量给出，并可写成为p = y 西仍，式中p 和纺分别为双参数的矢 i - - - 6 函数及其以双参数为变量的基函数；凸为系数矢量，上式称为曲面的基表示， 表示自由曲面的数学方法不同就表示所采用的基函数不同，基函数一旦确定， 系数矢量也就完全定义了曲面。 曲面表示的几何不变性是指它们不依赖于坐标系的选择或者说在旋转与平 移变换下不变的性质，其具有理论和实际应用价值。首先，它是形状描述的基 本要求。应用几何不变性就可以视需要与方便任意选取合适的坐标系而保证获 得不变的形状，这样在逆向工程实际测量中，在不同的测量坐标系测得的同一 组数据点，采用具有几何不变性的数学处理方法，就可以得到相同的形状：其 次，应用几何不变性，可以将位于坐标系里的规范位置的形状方便地变化到空 间任意位置：再者，在生成任意方向的投影视图时，不必计算并变换所有需绘 制或显示的点，而仅需变换基表示中那些系数矢量。c a g d 中常用的c o o n s 曲 面、b e z i e r 曲面、b 样条曲面和n u r b s 曲面都具有几何不变性，在通用的c a d 系统中，所有的曲面都是用以上四种数学模型所产生i ”j 。 c o o n s 曲面常被称作c o o n s 缀面。单一的c o o n s 缀面是以四个边界高阶曲 线所熔接而成的曲面缀面；多个缀面的c o o n s 曲面则是由数个独立的缀面平顺 的熔接在一起而产生的。形成c o o n s 曲面的高阶曲线又可分为双线性或双三次 式两种。 b e z i e r 曲面是由熔接所有相连的直线和由网状的控制点所形成的碎平面而 建构出来的。b e z i e r 曲面可以通过控制曲面上的控制点来更改曲面的形状。各 个控制点( c o n t r o lp o i n t s ) 能够被拉高而产生新的形状。 b 样条曲面结合c o o n s 曲面和b e z i e r 曲面的重要特性。与c o o n s 曲面类似， b 样条曲面可以由一组断面曲线来形成，同时又像b e z i e r 曲面一样有控制点， 可以用才操作控制点的方式来更改曲面表层的形状。b 样条曲面可以由多个缀 面，并且不管控制点如何被移动，缀面之间的连续性可以保证。 n u r b s ( n o n u n i f o r m r a t i o n a l b s p l i n e ) 曲面即非均匀有理b 样条曲面，它 将描述自由型曲线曲面的b 样条方法与精确表示二次曲线曲面的数学方法互相 统一起来，具有b 样条曲面所有的功能；另外，n u r b s 曲面还提供了一种“重 r 四川大学硕士学位论文 量的功能”去更改在曲面表层上之控制点的影响力。n u r b s 曲面模组化技术是 现今最新的曲面数学，在c a d c a m 与计算机图形学领域获得了越来越广泛的 应用。流行的三维c a d c a m 软件p r o e n g i n e e r 、c a t i a 、u g 、c a m d a 、 c i m a t r o n 9 0 等其自由曲面都是由n u r b s 表示的。1 9 9 1 年国际标准组织 ( i s o ) 正是颁布了工业产品几何定义的s t e p 标准，作为产品数据交换的国际 标准。在s t e p 标准中，自由曲面唯一的用n u r b s 表示。 1 3 ，2 自由曲面的数控加工技术 数控加工技术是逆向工程系统中的一项重要技术，而数控加工的关键是数 控加工程序的编制。在逆向工程中，数控加工程序的编制对象有两类，一类是 经过处理的离散数据点云，另一类是在c a m 系统中经过三维重构生成的实体 模型。由此产生两种不同的数控加工方法，一是从离散数据点直接生成刀位轨 迹；二是先建立离散数据点的参数化曲面模型，然后对参数曲面进行数控加工 刀位规划。无论哪一种加工方法，数控加工程序编制的实质是针对自由曲面通 过算法生成加工刀具的轨迹。 多坐标加工自由曲面一般分为以下三个步骤进行数据处理1 1 7 j ：从加工曲面 模型生成刀触点轨迹( c c 轨迹) ；从刀具切触点轨迹计算刀位数据，并对刀位 路径进行优化，得到中性刀位数据文件；中性刀位数据文件经后置处理生成数 控加工代码。 目前常用的刀具c c 轨迹计算方法有参数线法和平截面线法等。参数线法是 一种最常用的一种刀具轨迹计算方法，切削行沿曲面的参数线分布，即在描绘 自由曲面的参数方程中，固定其中一个参数，使另外一个参数不断变化从而获 得刀触点轨迹。这种方法的最大优点是计算简单，但因参数间距只能根据相邻 刀具轨迹间最大残留高度来确定，而太多数曲面沿参数方向的尺寸变化较大， 所以实际得到的轨迹疏密差别较大，致使加工效率较低，且被加工平面的精度 较低。参数线法适合网格比较规则的直纹面以及双三次曲面的光面加工。平截 面线法是取一组相互平行的平面或通过一点的极坐标平面与曲蔼相截，刀具沿 截面线走刀，刀心轨迹( c l 轨迹) 是一条空间曲线，而刀具与曲面的切触点均 在同一平面上。其主要特点是走刀路径均匀，切触点轨迹易于检查，克服了参 数线法中参数分布不均匀而导致走刀路径疏密不均的缺点，同时可以连续加工 9 第一章绪论 多张零件曲面。主要不足是计算复杂，求交的精度和可靠性直接影响加工精度。 在逆向工程c a m 系统中，任何一个自由曲面，其几何与工艺信息可以分为 微观和宏观两个层次，微观信息主要是基于数学方法对加工面的精确描述，加 工面是以一系列的曲面片的形式表示，曲面片以曲面的数学模型为核心，系统 内部所有有关曲面的运算都是基于曲面的数学模型进行的，只要控制得当，系 统就能够准确跟踪曲面空间位置的变化，产生相应的刀位数据。与微观信息相 反，宏观信息描述加工面的轮廓、尺寸范围、结构特性以及公差、粗糙度等工 艺和精度特征，用于确定加工方法、所用刀具、刀路拓扑以及切削方向等纲领 性方案，在交互式的工作环境下，这部分信息是由用户理解并处理的。 1 3 3 逆向工程c a m 的现状 目前，对于集成化逆向工程c a m 的研究已经取得了一定的成果，一些软件 系统已经应用于生产实际。清华大学开发的复杂曲面模具测量、造型与加工一 体化系统一一3 m s 系统，其c a m 模块首先对测量数据进行b e z i e r 三角曲面造 型，运用截面线法生成刀具的数控加工轨迹【7 j 。浙江大学的r e - - s o f t 系统也集 成了类似的基于b e z i e r 三角曲面的曲面加工模块，其刀具轨迹规划与计算采用 针对毛坯的变切深均匀厚度分层及等切深曲面跟踪分层等加工方案【1 。这些系 统均采用b e z i e r 三角曲面造型，与其它c a d c a m 系统的通信不太方便，当今 的c a d c a m 系统是以n u r b s 曲面表示。国际市场出现的与逆向工程相关的 软件系统如i m a g e w a r e 公司的s u r f a c e 7 1 、d e l c a m 公司的c o p y c a d 和m d w 公司的s t r i m 等采用的都是n u r b s 曲面，但这些软件系统并不集成c a m 功 能。另外还有一些系统，它们不必建立曲面的数学模型，直接将测量数据转换 为数控程序。例如四川大学光电系鞋楦数控加工系统基于离散数据采用截面线 法的一种改进方法，首先把截面线上的离散数据点插值成螺旋形，利用点与点 之间的距离直接确定刀位点，刀位点的顺序连接，就可得到刀具轨迹【1 9 1 。这种 方法具有很大的局限性，只能用于特定零件的逆向工程系统中。 现今国际市场上出现了多个数控加工软件系统，美国c n cs o f t w a r e 公司的 m a s t e r c a m 、p t c 公司的p r o e n g i n e e r 中的p r o n c 模块以及e d s 公司的 u n i g r a p h i c s 的c a m 模块，具有强大的数控加工能力，它们的加工对象是曲面 c a d 模型。对于以n u r b s 曲面数学模型建模的逆向工程系统，其数控加工可 器硝大学读士学瘟论文 以栗照上述数控加工软转系统。同时这些软l 串提供= 次拜发接嗣，睾 对邀自工 程系统开发客户他的c a m 模块，可以减少人工干预，提搿自动处理能力。 1 4 课题胬景教研究工作 1 4 ， 漂瓤霈景 本课题来源于四川大学的世界银 亍贷款项羁：“中国鑫髂教鸯发展项露 工程训练中心”。翮川大学工程培诩中心是集教学、科研、生产为体的阴川大 攀下疆单馒，承担饕全校零、专辩生熬教学实骂任务，零潆遂嚣是瞎渡矮量懿 设备为依托，为四川大学工程培训中心开发的本科生逆向工程实验。 1 4 2 主要研究工作 本漯题翁主要内容是骈究并开发集成纯逆向工稷系统c a m 模块。本谦题基 予p r o n c 开发了这样一个模块。该模块获取逆趣工程鳆霆逡型模块辑枣每逢的燕 工曲面信息，从工能信息数据库穗输入加工刀恩参数以及合理的加工工艺参数 等；在秘蓬镜麓数控程序玺或器申垒动艇魂生成鼗控翔工刃谴簸避，露辩可戬 进行刀位轨j l 蕊演示以及过切与干涉检查，经过厢置处理，输出驱动机床加工的 辘器蓉潮爨数据文释。辑鬟要竞藏翡圭凝工俸蠢： ( 1 ) 利用测攮数掇建立零件的c a d 模型。逆良工程数控拥工的对象的c a d 模型鼹基于涮藿数据的，c a d 模犁的娥立是个很关键的步骤。c a d 横型的 建立戥馥霹懿数学袭迭受鏊礁，不同酶越蕊数学表达会褥妥不弱兹懿嚣c a d 模 测，从而产生不同的曲面数控加工刀位轨迹算法。本课题以非均匀有理b 样条 藏覆( n u r b s 螽嚣) 鼗攀模型两基磷在p r o e n g i n e e r 爵壤申遂霉亍黪瑟c a d 模 型重构。 2 ) 魏面镜瀚数撩程穿奎成嚣静翻建。莉瀚p r o e n g i n e e r 韵二次开敷工具 p r o t o o l k i l 对曲珏钱削船工工程滋抒封装，从工艺数摄瘁中获取掇工参数，妻 韵在p r o n c 中建立操作 选择机床、稔序原点、刀鼠的从点和原点) ，建立曲 藜铣戴数控熬工枣列选簿刀其、遥刁嚣、走刀方式、选定靖燕工翡特簦等) ， 从而完成曲面铣削数控加工刀位轨迹的规划。 国王艺餐息数攒痒蘸建立。剖建零释静翔z 工艺信患数据库。船工j ：艺信 息包括加工工序号，加工方法、刀具代号和余量、机床蠡稔和辘数以及突成皂 1 1 ， 第一章绪论 由曲面铣削加工所需的切削用量、走刀方式和进退刀方式等加工参数。 ( 4 ) 工艺信息数据库与逆向工程c a m 模块接口的开发。本课题工艺信息数据 库采用m i c r o s o f ta c c e s s 建立，逆向工程c a m 模块基于p r o e n g i n e e r 环境进行 二次开发，二者的连接实质就是m i c r o s o f t a c c e s s 与p r o e n g i n e e r 的连接。本课 题采用动态连接库技术通过o d b c 方式实现二者的有机连接。 1 5 本章小结 本章介绍了逆向工程的概念、特点及应用范围，指出c a m 模块在集成化逆 向工程系