曲面重构逆向工程的研究与实践

第 2 4卷第 4期 总第 1 0 9期 V o 1 2 4 N o 4 S U M N o 1 0 9 机 械管 理 开 发 ME C HAN I C AL MAN AGE MEN T AN D D EVE L OP MEN T 2 0 o 9年 8月 Au g 2 0 0 9 曲面重构逆向工程的研究与实践 高晓芳L z 李文斌 1 太原理工大学 机械工程学院 山西太原0 3 0 0 2 4 2 山西机电职业技术学院 山西长治0 4 6 0 1 1 摘要 介绍了逆向工程数据的采集与处理 C A D模型的重建及数控加工刀具轨迹生成等过程 最后介绍了将其 应用在油箱盖外板的实例 关键词 逆向工程 曲面重构 数控加工 中图分类号 T G 6 5 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 3 7 7 3 X 2 0 0 9 0 4 0 1 8 4 0 2 l 逆 向工 程的含 义 2 数 据的 采集和 处理 随着计算机技术在制造领域的广泛应用 基于数 据测量的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要 对象 通过数字化测量设备 如坐标测量机 激光测量 设备等 获取物体表面的空间数据 经过逆向工程技术 的处理获得产品的数字模型 进而输送到 C A M 系统 完成产品的制造 1 1 逆向工程已经作为一种先进的设 计方法被引入到新产品的设计开发工作中 以避开艰 苦的原型设计阶段 是一个对产品进行再设计 的阶段 1 1 逆 向工程 的 实现 过程 准备模型一三维测量一计 算机再设计一快速成 型一投入生产 1 2 逆 向工程设 计 实施 步骤 1 设计前的准备工作 设计之前应确定设计 的整 体 思路 对实 物模 型进 行 系统 的分 析 划 分 出模 型 的特 征 区 确定模型的基本构成形状 的曲面类型 这些关系 到相关软件的选择和软件模块的确定 2 零件原形 的数字 化 根 据测量 对象 的特点确 定 扫描方法以及扫描设备 利用 3 D扫描测量设备来获取 零件实物表面点的三维坐标值 3 提取零件的几何特征 按测量数据的几何属性 对其进行分割 分割方法一般可分为两类 1 是基 于 边界分割法 2 是基于区域分割法 区域分割法将相 似几何特征的点划为同一区域 具有明确的几何意义 是 较为常 用的分 割方法 4 零件 C A D模型 的重建 将分 割后 的三 维数 据 在 C A D系统中分别做表面模型的拟合 并通过各表面 片的拼接获取零件实物表面的 C A D模型 5 重建 C A D模型的检验与修正 由于测量得到 的数据点往往存在一些数字误差 所以需要对曲面或 曲线进行光顺处理 提高曲面质量 另外还要检验重建 的 C A D模型是否满足精度或其他试验性能指标的要 求 对不满足要求的应进行适当的调整修改 直至达到 零件的设计要求 在 逆 向工 程技术 中 获 得重构 C A D模 型 的离 散数 据 即数字化技术是关键的一步 只有获得正确的测量 数据 才能进行误差分析和曲面比较 实现 C A D建模 数据 的采集 是指 采用 某种测 量方法 和设备 测 出实 物各 表面的若干组点的几何坐标 可以有多种方式进行数 据采集 在表面数字化技术中 根据测量方式的不同可 以将数据采集方法分为接触式和非接触式两大类 传 统方法就是 以三坐标测量机 C MM 为代表 的接触式 也是实际工程 中常用的方式 精度相对精确 但易于损 伤测头和划伤被测零件的表面 非接触式 自动测量模 式是不与工件表面接触而 自动测量表面的一种测量模 式 采用光电法的非接触式测量方法的特点是测量过 程中测头不接触被测表面 避免了接触式测量中测头 或被测表面的损伤和测头半径的补偿测量速度快 自 动化程度高 适用于各种软 硬材料的各种复杂曲面模 型的三维高速测量 为使测量数据更合理更高 需要对测量数据进行 噪音点去除 测头半径补偿 数据分块等处理 为使测 量数据具备完整性 需对测量数据进行多视图拼合 外 测数据的融人等处理 对物体表面测量数据的处理方 法有基于边界的分割法 基于边界的分割法在对数据 进行处理时 首先估计出测量点的法 向矢量和曲率 然 后将法向矢量和曲率 的突变处判定为边界 的位置 并 经过边界跟踪等处理形成封闭的边界 将各边界所围 区域作为最终的结果 3 C A D模型 的重 建 在整个逆 向工程中 重建实体的三维 C A D模型是 逆向工程 的关键技术 它利用测量所得的点云数据 通 过插值或者拟合 构建一个近似的数学模型来逼近手 工模型 在整个逆 向工程 中 产 品的三位几何模 型 C A D重建是最关键 最复杂的环节 模型重建就是利用测量所得的点云数据 通过插 值或者拟合 构建一个近似的数学模型来逼近手工模 收稿 日期 2 o o 8 0 l 一 0 5 修回 8期 2 0 0 9 0 5 1 9 作者简介 高晓芳 1 9 8 0 女 山西长治人 助教 在职硕士研究生 研 究方向 曲面重构逆 向工程研究 1 8 4 第 2 4卷 第 4期 总 第 1 0 9期 高晓 芳 等 曲 面 重 构 逆 向 工程 的研 究 与 实践 2 O o 9年 8月 型闭 目前 自由曲面建模手段分为 1 以三角 B e z i e r 曲面为基础 的曲面构造方法 2 以 N U R B S 非均匀有 理 B样条 曲线 曲面为基础的矩形域参数 曲面拟合方 法 3 以多面体方式来描述曲面物体 由于 N U R B S方 法可通过控制点和权 因子灵活改变形状 具有优 良的局 部形状控制能力和几何不变性 提 高了造型能力 因此 采用以 N U R B S曲线为基础的曲面构造方法是 目前较 为成熟的 C A D曲面重构技术 三角域 B e z i e r 曲面拟合 法具有构造灵活 适应性好等优点 但这种方法所构造 的曲面模型与通用 C A D C A M 系统数据交换 困难 需 要转换为 N U R B S曲面才能为 C A D C A M 系统所使用 4数控 加工 通过 C A D模型的重建技术 用户可在计算机上生 成所需 的各种复杂曲面 通过 已有的 C A D C AM软件 系统 可 自动 编制 复杂 曲 面的数 控加工 程 序 通 过与 计 算机 网络连接的数控机床 进而在数控机床上准确地 加工 出相 应 的零件 或模 具 3 1 复杂 曲面 采用 普通 机 加工 方 法是 难 以甚 至无 法完 成的 我国传统的方法是采用精密铸造 可想而知其精 度是 较低 的 数控 机床 的出现 特别 是加 工 中心 的 出 现 复杂曲面的加工才可以通过数控编程来实现 a u ra 复杂型面一般采用球头铣刀数控铣削 程序给出的加 工轨迹是刀头球心的运动轨迹 常用数控加工曲面的 方 法有 以下 几种 1 行切法 这种方法是指刀具与加工工件轮廓 的 切点轨迹呈行 其行间距按零件加工精度的要求确定 行切法具有编程简单和切削效率高的优点 但 由于刀具 在行切平面内运动 且曲面的曲率不同和定位等原 因 会导致行间的残留高度相差较大 因此常用于粗加工 2 层切法 当被加工工件的毛坯余量过大或a l to 时 受到装 夹 与刀具 长 度 的 限制时 应 采 用分 层 加工 方 法进行加工 即将余量从上到下一层一层地去切除 这 种方法称为层切法 层切法加工是在等高面上切除加 工余量 其实质是一种二轴半 的分层处理加工方法 在 层切法加工过程中 走刀轨迹被限制在二维平面中 方 便了刀具轨迹的优化 空刀现象大大减少 切削效率 高 因此 层切法是一种高效 的粗加工方法 3 环切法 这种 方法 一般 用 于加 工各 种槽 腔 的曲 面 包括槽腔中有若干凸台和复杂型面 采用这种方法 加工可以减少抬刀次数 提高加工效率 5应用 实例 本实例应用上述各项技术对油箱盖外板进行了逆 向工程测量和加工 由三坐标测量机得 到的油箱盖外 板 外形 三 维数据 点 云如 图 1 S T L文 件格 式输 入 到逆 向 工程软件 P r o E n g i n e e r 中 经去除噪声点和冗余数据 数据对齐如图 2 等预处理后 进行 3 D模型的重建如图 3 将上述曲面转换成 I G E S格式 利用 C A X A制造工程 软件生成刀具轨迹 经仿真模拟后 由后置处理程序生 成 N C数控加 工程序 通过通 讯模块 或数 控机床 的 R S 2 3 2接 口将程序传人数控机床进行加工 图 1 油箱盖外板原始点云 图 2 降噪去掉多余点后 的点云 6结束 语 基 于 逆 向 工 程 技 术 在 计 算 机 网 络 和 C A D C A M 集 成 技 术 的 支持下进行复杂曲面重 构 缩 短 了产 品 的 开 发 周期 提高 了产品开发 质量 增加产品的技术 一 图 3油箱盖外板曲面重构结果 含量并降低产品的开发成本 有效地解决了其产品特 别是形状复杂的曲面的最终设计问题 实现了从产品 设计到a l to整个过程信息流流畅快捷 的 目标 增强了 经济竞争力 这一技术正 以其独特的优势 在产品的开 发 中发挥着越来越大的作用 参 考 文 献 f I 1 张国亮 P r o E N G I N E E R 中文野火版逆 向工程专家实例精讲 反求工程技术 M1 北京 中国青 年出版社 2 0 0 7 2 李江雄 柯映林 程耀东 基于实物的复杂曲面产 品反求工 程中的 C A D建模技术 中国机械工程 1 9 9 9 4 3 9 0 3 9 3 3 刘京辉 C A X A制造工程师 2 0 0 6精编实例教程 M 北 京 中 国水 利水 电 出 版社 2 o o 7 Re s e a r c h a n d P r a c t i c e o n CNC M a c h i n i n g P r o c e s s GAO Xi a o f a n g t 2 LI W e n b i n 1 D e p a r t me n t o f Me c h n i c al E n g i n e e ri n g T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 2 S h a n x i I n s t i t u t e o f Me c h n i c a l E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g C h a n g z h i 0 4 6 0 1 1 C h i n a A b s t r a c t T h i s a r t i c l e d e s c ri b e s t h e r e v e r s e e n g i n e e ri n g o f d a t a a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g C A D m o d e l r e c o n s t r u c t i o n a n d C N C m a c h i n i n g t o o l p a t h g e n e r a t i o n p r o c