复杂曲面零件逆向建模及数控加工方法研究

沈羽

摘要：针对复杂曲面零件在逆向制造过程中存在的问题开展研究，采用三坐标测量设备采集复杂曲面零件的点云数据，并结合Gemagic design X软件完成对曲面逆向架构和曲面重构，实现对复杂曲面零件的逆向建模。再利用Unigraphics NX软件数控加工软件对刀位轨迹生成、加工坐标系设定、创建加工操作，完成对复杂曲面零件的数控加工，为复杂曲面零件的制造提供理论依据。

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.

关键词：复杂曲面零件;逆向建模;点云数据;数控加工

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

中图分类号：U464.13                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）12-0229-02

0  引言

逆向建模是一种反求工程，当需要加工的零件缺少实物的外部尺寸、特征以及材料等素材的情况下，利用三维扫描技术获取实际零件的三维点云坐标，并将坐标通过曲面重构技术重新构建实物的计算机辅助设计模型，最终通过数控加工实现对零件的快速制造[1]。逆向建模及数控加工中包含了多领域、多学科的技术，其中有硬件逆向技术、软件逆向技术以及实物逆向技术等。与传统的零件加工制造相比，逆向建模与数控加工可以在前人的基础上对零件进行创新，并将现有的零件产品作为参照目标，制造出新的目标产品，从而为制造业提供更多创新的产品，加快制造业的发展。基于此，本文开展对复杂曲面零件逆向建模及数控加工方法研究。

1  复杂曲面零件逆向建模

1.1 复杂曲面零件点云数据采集

复杂曲面零件点云数据的质量决定最终模型的质量，因此点云数据的采集是逆向建模中最重要的关键步骤。基于复杂曲面零件的结构特点，本文选用非接触式测量法，通过三坐标测量设备对复杂曲面零件的点云数据进行采集[2]。由于复杂曲面零件中存在较多的工件尺寸，需要沿不同方向对尺寸测量，因此在测量前首先要对测量时使用的测头进行校准，同时在校准的过程中完成对测头半径的补偿。开始测量后，还需要对复杂曲面零件的表面、光栅尺、导轨等进行清洁，避免产生误差。再使用专用的自动装卸设备将复杂曲面零件放置在固定的位置。为了使采集到的点云数据更加准确，还需要对测量路径进行规划，通常情况下规划是沿着某一特征方向，顺着方向采集点云数据。对于复杂曲面零件而言构建各规则元素所需最少点云数据如表1所示。

完成测头的标定后，设定相应的点云数据采集密度及扫描方向，开始对复杂曲面零件进行扫描，并在扫描结束后将点云数据存储为.imw格式。

1.2 曲线逆向架构

Gemagic design X软件的优势在于可以直接被Unigraphics NX数控加工软件读取，不需要对点云数据的格式进行转换。具体的架构流程为：在Gemagic design X软件界面中，在每个点云网格中创建一条适当的曲线，并判断每条曲线是否符合复杂曲面零件加工的精度和光顺程度[3]。若不满足要求则重新创建更加精准且光滑的曲线;若满足条件则进行下一步操作。再判断创建的曲线是否存在一定的连续性，若不存在则重新对曲线进行编辑操作，若存在则将该曲线创建出来，完成对复杂曲面零件的曲线架构。

1.3 曲面重构

在 Gemagic design X软件中包含多种创建零件曲面的方法，包括点云数据直接生成曲面、直线蒙皮、四边界生成曲面以及点云数据和曲线结合的方法生成曲面。本文选择在Gemagic design X软件中对曲面重构的具体创建流程为：首先考虑后续数控加工操作对复杂曲面零件的曲面基本要求，判断每个曲面的精度或光顺是否符合加工要求，若不符合则根据后续工作的要求，在光顺性和精确度之间找到平衡点，以满足数控加工过程对曲面的要求;若符合要求则考虑曲面是否满足联系性要求，若不符合则重新对曲面进行编辑;若符合则利用该点云数据创建曲面[4]。创建后的曲面还需要在Gemagic design X软件中对點云数据及曲面的偏差进行检测，检查曲面及点云数据的误差。通常情况下除去误差较大的部分，保证各数据参数的误差在±1.0mm之间。逆向建模是一个从整体到局部的 建模过程，因此首先构建整体闭合连续的曲面，再利用CAD软件构建复杂曲面零件的细节特征模型。

2  复杂曲面零件数控加工方法

2.1 刀位轨迹生成

本文选用Unigraphics NX软件对复杂曲面零件进行数控加工操作，首先对刀位轨迹生成。首先在被加工的复杂曲面零件的曲面上采集一组刀触点，再将刀触点直钻环卫刀位点，生成刀具的路径。图1为Unigraphics NX软件数控加工自动编程的具体流程图。

Unigraphics NX软件采用的是CAD自动编程技术，因此刀具轨迹在生成过程中是面向屏幕的图形交互完成的。将上文逆向建模得到的复杂曲面零件模型输入到CAD中，选择对应的加工工具、刀具以及工艺参数等，并生成加工刀具的位置源文件。再通过后置处理得到相应机床的加工程序。

2.2 加工坐标系设定

加工坐标系是在加工原点的基础上建立坐标，利用加工坐标系对复杂曲面零件几何体在数控机床上的加工位置定义，在编程过程中道具的轨迹坐标就是根据复杂曲面零件的轮廓在加工坐标系的坐标明确的。利用Unigraphics NX软件的坐标设定功能，设置三个坐标轴，分别为x轴、y轴和z轴，三个坐标轴的方向规定着数控机床导轨的方向，在实际加工过程中应当保证毛坯在机床上的位置方便加工、对刀等操作。

在Unigraphics NX软件中首先设定加工坐标系，在加工环境窗口中点击操作导航装置，选择其中的几何视图按钮并勾选MCS选项。设定复杂曲面零件的加工坐标系及工作坐标系保持一致，即复杂曲面零件的底面为x轴和y轴的平面，刀轴的矢量方向为z轴。在Unigraphics NX软件中创建一个加工操作首先要为该操作制定四个父节点组，包括程序父节点组、刀具父节点组、加工几何体父节点组以及加工方法父节点组[5]。程序父节点组主要用于管理各个加工操作，同时排列各个加工操作在程序中的顺序。刀具父节点组在创建和选择合适的刀具时，应当考虑复杂曲面零件的加工类型、加工表面形状以及加工部分的尺寸大小等因素。加工几何体父节点组用于指定加工的复杂曲面零件的毛胚几何体、部件几何体等，并指定加工加工复杂曲面零件的加工方位。在加工过程中，可以保证加工精度和加工质量。

2.3 创建加工操作

在创建加工坐标系后，创建对复杂曲面零件的加工操作。每创建一个操作就相当于生成一个加工步骤，在操作过程中，单一的刀轨以及生成这一刀轨的对应信息组成一个结合。在Unigraphics NX软件中选择指定的程序、几何体和刀具后点击应用按钮，在指定加工区域中完成对相关切削参数及非切削参数的设定。生成的刀位文件内容中包含刀具的中心推断数据以及相关的加工参数数据，但只有这些数据仍无法对数控机床控制。对于不同的数控机床存在不同的数控系统，在不同数控系统中同一功能的控制代码可能不同，因此还需将刀轨文件转换为符合特定数控机床指令的加工程序文件。通过后置处理操作将刀位轨迹转换为被数控机床识别的数控代码，完成对复杂曲面零件的数控加工。

3  结束语

本文对复杂曲面零件的逆向建模和数控加工方法进行了研究，但由于知识水平有限，研究中仍存在某些方面的不足，例如点云数据采集方法的局限性、点云数据处理过程人工干预量大、逆向工程各环节独立等问题，在后续的研究中还将对这些问题进行更加深入的研究。

参考文献：

[1]刘剑龙，陆荣，孔维森，等.航天薄壁框架类零件数控加工的变形抑制方法[J].机械制造与自动化，2019，48（06）：059-061.

[2]任艳霞，陈昌铎，丁刚，等.拖拉机复杂零件的逆向建模和数控加工仿真——基于UG软件[J].农机化研究，2020，42（06）：251-254，259.

[3]郑金辉.高职《零件的数控车削加工》课程标准研究——以吉林化工学院航空工程学院数控技术专业为例[J].吉林化工学院学报，2019，36（04）：048-052.

[4]郭树伽，刘羽，姜彬，等.AGV+协作机器人在零件数控机床加工上下料中的应用[J].汽车工艺师，2019，27（09）：017-020.

[5]武迎迎，趙国强，秦涛，等.复杂零件数控加工在线测量技术研究[J].机械制造，2019，57（07）：072-075.