隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，基于數(shù)據(jù)測量的產(chǎn)品造型技術(shù)成為逆向工程技術(shù)關(guān)注的主要對象。通過數(shù)字化測量設(shè)備（如坐標(biāo)測量機(jī)、激光測量設(shè)備等）獲取物體表面的空間數(shù)據(jù)，經(jīng)過逆向工程技術(shù)的處理獲得產(chǎn)品的數(shù)字模型，進(jìn)而輸送到CAM系統(tǒng)完成產(chǎn)品的制造。逆向工程已經(jīng)作為一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法被引入到新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)工作中，以避開艱苦的原型設(shè)計(jì)階段，是一個對產(chǎn)品進(jìn)行再設(shè)計(jì)的階段。

1、曲面的三坐標(biāo)測量

    在逆向工程技術(shù)中，獲得重構(gòu)CAD模型的離散數(shù)據(jù)，即數(shù)字化技術(shù)是關(guān)鍵的一步。只有獲得正確的測量數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行誤差分析和曲面比較，實(shí)現(xiàn)CAD建模。數(shù)據(jù)的采集是指采用某種測量方法和設(shè)備測出實(shí)物各表面的若干組點(diǎn)的幾何坐標(biāo)，可以有多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)方法就是以三坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)為代表的接觸式，也是實(shí)際工程中常用的方式，精度相對精確，但易于損傷測頭和劃傷被測零件的表面。非接觸式自動測量模式是不與工件表面接觸而自動測量表面的一種測量模式。采用光電法的非接觸式測量方法的特點(diǎn)是測量過程中測頭不接觸被測表面，避免了接觸式測量中測頭或被測表面的損傷和測頭半徑的補(bǔ)償測量速度快、自動化程度高，適用于各種軟、硬材料的各種復(fù)雜曲面模型的三維高速測量。

2、基于Geomagic的復(fù)雜曲面的模型重建

    Geomagic Studio是由美國3D Systems公司研發(fā)的逆向工程應(yīng)用軟件，它以先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型、曲面構(gòu)造理論為基礎(chǔ)，可從掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。Geomagic Studio提供了直接點(diǎn)構(gòu)面的全新的構(gòu)面方式，改變了傳統(tǒng)的點(diǎn)→線→面的構(gòu)面方式。下面以小貓曲面點(diǎn)云（圖1）的CAD重建為例，來說明Geomagic的處理過程。Geomagic軟件的一般工作流程主要包括以下3個階段：

圖1 小貓曲面點(diǎn)云數(shù)

    （1）點(diǎn)階段（Point Phase）。這個階段為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理階段。利用點(diǎn)云處理功能如降噪特性以及編輯和過濾工具，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云到多邊形階段的過渡，實(shí)現(xiàn)小貓數(shù)字模型的優(yōu)化。處理完成后，即可進(jìn)入多邊形階段，數(shù)據(jù)格式也由離散數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為多邊形格式（圖2）。

圖2 多邊形階段

    （2）多邊形階段（Polygon Phase）。這一階段主要是對多邊形網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行表面光順與優(yōu)化處理，以提高后續(xù)的曲面重建質(zhì)量。利用多邊形編輯（polygon editing）、基于曲率的孔填充（curvature hole filling）、光順（relax）、邊界修補(bǔ)（boundary repair）、特征構(gòu)建（feature creation） 等多邊形幾何再造功能實(shí)現(xiàn)小貓曲面因?yàn)閽呙瓒�出現(xiàn)的缺憾。

    （3） 成形階段（Shape Phase）。其過程包括首先利用Detect Curvature功能根據(jù)計(jì)算的曲率結(jié)果找出多邊形數(shù)據(jù)中的特征線（ContourLine）。在特征曲線的基礎(chǔ)上，利用Construct Patches功能在多邊形數(shù)據(jù)上自動生成四邊形網(wǎng)格（圖3）。自動生成的四邊形網(wǎng)格往往呈現(xiàn)不規(guī)則的網(wǎng)狀，利用網(wǎng)格編輯功能將其排成比較規(guī)則的網(wǎng)格面。然后利用Construct Grid功能為每一個網(wǎng)格內(nèi)建立UV參數(shù)線，最后使用Fit Surface功能為每一個四邊形網(wǎng)格自動生成連續(xù)的曲面片（圖4）。這個階段主要完成數(shù)據(jù)分塊與曲面構(gòu)造功能。造型完成后，軟件還可以對曲面進(jìn)行整體的光順、合并以及誤差分析等操作，同時輸出IGES輸出格式，與CAD/CA M/CAE軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖3 特征線及四邊形網(wǎng)格

圖4 完成小貓的NURBS曲面

3、復(fù)雜曲面的NC仿真加工

    通過CAD模型的重建技術(shù)，用戶可在計(jì)算機(jī)上生成所需的各種復(fù)雜曲面，通過已有的CAD/CAM軟件系統(tǒng)，可自動編制復(fù)雜曲面的數(shù)控加工程序。通過與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接的數(shù)控機(jī)床，進(jìn)而在數(shù)控機(jī)床上準(zhǔn)確地加工出相應(yīng)的零件或模具。加工復(fù)雜型面一般采用球頭銑刀數(shù)控銑削，程序給出的加工軌跡是刀頭球心的運(yùn)動軌跡。

    曲面加工選擇CAXA制造工程師進(jìn)行。將在Geomagic生成的小貓曲面導(dǎo)入CAXA中進(jìn)行NC模擬仿真。小貓曲面的數(shù)控加工為凸面加工。在CAXA制造工程師軟件的“CAM”環(huán)境下，利用“加工管理”模塊中的“模型、“毛坯”“起始點(diǎn)”、“機(jī)床后置”、“刀具庫”、“刀具軌跡”等功能，進(jìn)行小貓曲面加工編程過程中的一些例如坐標(biāo)系、刀具的建立、模型、毛坯和進(jìn)退刀等公用選項(xiàng)的創(chuàng)建。實(shí)現(xiàn)小貓曲面的NC模擬仿真。其粗加工過程如圖5所示，精加工過程如圖6所示。

圖5 粗加工過程

圖6 精加工過程

4、結(jié)束語

    逆向工程中的CAD建模技術(shù)已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零件修復(fù)、動畫以及數(shù)字媒體等諸多領(lǐng)域，在數(shù)據(jù)獲取與處理、曲面擬合、商用專業(yè)軟件等方面的研究開發(fā)上也已取得了很大進(jìn)展。基于逆向工程技術(shù)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和CAD/CAM集成技術(shù)的支持下進(jìn)行復(fù)雜曲面重構(gòu)，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量、增加產(chǎn)品的技術(shù)含量并降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，有效地解決了其產(chǎn)品特別是形狀復(fù)雜的曲面的最終設(shè)計(jì)問題，實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到加工整個過程信息流流暢快捷的目標(biāo)，增強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)競爭力。

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本文標(biāo)題：基于Geomagic的復(fù)雜曲面的反求設(shè)計(jì)及NC仿真加工

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