（机械电子工程专业论文）复杂曲面冲压模具反求工程和数控加工编程的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 是产品创新设计和快速开发的重要手段， 是各种先进制造模式的关键使能技术。本文根据反求工程在曲面形状复杂产品设计的特 点，在研究一般反求工程关键技术基础上，通过对复杂曲面数字化、曲面重构、c a d 建 模和数控加工编程等关键技术的研究，较完整地建立了一套适合复杂曲面形状冲压模具 反求工程的方法和手段，以此来适应产品快速开发的需要。 在深入分析了复杂曲面数字化的各种测量方法的应用特点及其适用范围的基础上， 提出了适合复杂冲压零件曲面数字化的方法。为了提高曲面数字化的效率和精度，探讨 了用c 删进行数字化时的测点路径规划问题；为增强数据点的合理性及完各性，需对原 始测量数据进行预处理，分析了数据预处理的各种手段，重点探讨了基于曲面曲率的一 种自适应数据压缩方法。 根据复杂曲面及其反求的特点，以重构适应性好、编辑快捷的g 1 连续的b e z i e r 曲 面为最终目标，研究了适合复杂曲面冲压模具反求工程的几何建模技术及相应的关键技 术，即：离散点集的三角划分，网格优化、网格简化、基于g 1 型曲面重构及其曲面光顺 处理技术。 详尽地探讨了零件曲面重构，论文首先从工程应用的角度分析了曲线、曲面造型方 法中各种参数对曲线、曲面重构质量的影响。在此基础上，以整体侧围零件曲面重构为 例，重点研究了点云数据的分块策略、曲面特征的识别和提取方法、曲面边界提取和曲 面重构等方式。 分析比较了复杂曲面数控加工编程的各种加工方法、切削用量、加工余量、走刀方 式、进退刀方式、编程零点和加工坐标系确定等。总结出层切法比较适合于粗加工。推 导出用残留刀痕高度法来控制加工步长的关系式，用这种方式控制加工步长可获得粗糙 度非常均匀的加工表面。在c a t i av 5 环境下，提出了先按曲面大小和后按输入坐标值 建立任意大小矩形编程毛坯的方法，使编程毛坯和实际的加工毛坯大小一致，很有实际 意义。本文还研究出对曲面用“p a r o d u t l i s t ”进行粗加工，这种方法既可提高加工效 率，又可获得较好的表面加工质量。 关键词：反求工程；复杂曲面；曲面数字化；曲面重构；数控加工编程 复杂曲面冲压模具反求工程和数控加工编程的研究 r e s e a r c ho nr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n g p r o g r a mo fc o m p l e xs t a m p i n gd i e a b s t r a c t r e v e r s ee n g i n e e r i n g ( r e ) i sa l li m p o r t a n tm e a n so fp r o d u c t si n n o v a t i o nd e s i g n a n d p r o m p td e v e l o p m e n t a n di ti st h ek e yt e c h n o l o g yo f v a r i o u sa l v a n c e dm a n u f a c t u r em o d ea s w e l l a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nc h a r a c t e r i s t i c so fs o m ep r o d u c ta n dd i ed e s i g n , b a s e do n r e s e a r c ho nk e yt e c h n i q u e so fg e n e r a lr ea n dd e s i g nc h a r a c t e r i s t i c so fs t a m p i n gd i e ，t h e d i g i t a l i z a t i o n , s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n , m o d e l i n go fc a da n dn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n g p r o g r a m t h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d so fr eo fc o m p l e xs t a m p i n gd i e & m o u l dw h i c h h a s c o m p l e 】【s u r f a c e sa r ep r o p o s e dt om e e tt h ed e m a n d so f p r o d u c t sp r o m p td e v e l o p m e n t b a s e do na n a l y z i n ga l lk i n d so ft h em e a s l 】r em e t h o do ft h ed i g i t a l i z a t i o no fc o m p l c 】【 s u r f a c ea n dt h e i rs c o p eo f a p p l i c a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c s ，s u r f a c ed i g i t a lm e t h o do f r ew h i c h a d a p t st or eo fc o m p l e xs t a m p i n gd i ea r cd i s c u s s e d s a m p l ep o i n t sp r o g r a m m i n ga r e r e s e a r c h e dd e e p l y i no r d e rt oe n h a n c er a t i o n a l i t ya n dm a t u r i t yo fp o i n t s ，o r i s m lp o i n t s s h o u l db ec o m p r e s s e d m e t h o do fs e l f - a d a p t a t i o nd a t ac o m p r e s s i o nb a s e do ns u r f a c e c u r v a t u r ei si n t r o d u c e di nt h ep a p e r a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fi 也a n dc o m p l e xs u r f a c e ，t h ec o r r e s p o n d i n gk e y t e c h n i q u ea n dg e o m e t r i cm o d e l i n gt e c h n i q u e so fr e o fc o m p l e xd i ea r es t u d i e di no r d e rt o o b t a i nb e z i e rs u r f a c ew h i c hh a sg o o dr e c o n s t r u c t i o na d a p a b i l i t y t r i a n g u l a t i o nw i t h i n a r b i t r a r yd o m a i n ，o p t i m i z a t i o no fg r i d d i n g ，s i m p l i f i c a t i o no fg r i d d i n g ，s t t r f a c er e c o n s t r u c t i o n b a s e do ng lc o n t i n u u ma n ds u r f a c ef a i r i n g w h a t sm o r e ，s o m eq u e s t i o no fm o d e l i n ga r e d i s c u s s e da n dc o r r e s p o n d i n gr e s o l v e n ta r eb r o u g h tf o r w a r d s o m em e t h o dw h i c hi su s e dt or e c o n s t r u c t i o no fc u r v e ds u r f a c e ，f i r s to fa l l ，f r o mt h e p o i n to fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n , t h ee f f e c to f v a r i o u sp a r a m e t e r s ，w h i c hc o m ef r o mt h e c u r v e o ft h em e t h o do fc u r v em o d e l i n g ，i sd i s c u s s e do nt h ec u r v ea n dt h eq u a l i t yo fr e c o n s t r u c t i o n o fc u r v e ds u r f a c e t h e nt h ep a r to fc u r v e ds u r f a c eo ft h ec o v e r i n gp a r t sw a st a k e nf o ra n e x a m p l e ， a n dt h e e m p h a s i s i sl a i do nt h ei d e n t i f i c a t i o na n de x t r a c t i o n m e t h o do ft h e c h a r a c t e r i s t i ca n dt h eb o u n d a r y , a n dt h er e c o n s t r u c t i o nm e t h o do f c u r v e ds u r f a c e m e w h i l e i tw a sg i v e ne m p h a s i st ot h ep a r t i t i o ns t r a t e g yo f t h ed a t ao f p o i n tc l o u d ，a n ds oo n t h ec r a ro fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n gp r o g r a mo fc o m p l e xs u r f a c ei sa n a l y z e da n d c o m p a r e d t h e s ec r a f ta r em a c h i n i n gm e t h o d ，c u t t i n g _ d o s a g e ，m a c h i n i n gr e m a i n d e r , c u t e r w a l k i n gm o d e ，c u t e ra d v i c ea n d r e t r e a tm o d e ，p r o g r a m m i n gz e r o ，a n dm a c h i n i n gc o o r d i n a t e t h ec o n c l u s i o nt h a tt h el a y e rc u t t i n gi sf i t t e rf o rr o u g hm a c h i n i n gi sm a d e t h ef o r m u l ao f i i 大连理工大学硕士学位论文 s c a l l o p - h e i g h tm e t h o dc o n t r o l l i n gm a c h i n i n gs t e pi s 小舭e d t h et o l e r a n c eo fm a c h i n i n g f a c e si sv e r yu n i f o r m i t yb yi tc o n t r o l l i n gm a c h i n i n gs t e p 豇1 em e t h o do f e s t a b l i s h i n gr a n d o m s i z er e c t a n g i ep r o g r a mr o u g h c a s ti s p u tf o r w a r di n t h ec a t i av 5s o f t w a r ec o n d i t i o n , a c c o r d i n gt os u r f a c es i z ef i r s ta n dt h e na c c o r d i n gt oi n p u t t i n gc o o r d i n a t ev a l u e i tm a k e st h e p r o g r a mr o u g h c a s ta n dm a c h i n i n gr o u g h c a s th a v et h es a m es i z e ，w h i c hi sp r a c t i c em e a n i n g l ep r o g r a mm a c h i n i n gn e wa p p r o a c ht h a tr o u g ha n df i n i s hm a c h i n i n go ff i a t 跚珏a c e u s e t a r o d u t l i s t t h i sn e wa p p r o a c hh a sh i g h e rm a c h i n i n ge f f i c i e n c ya sw e l la sf i n e rs u r f a c e q u a l i t y k e yw o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；c o m p l e xs u r f a c e ；s u r f a c ed i g i t a l i z a t i o n ；s u r f a c e c o n s t r u c t i o n ：n u m e c a lc o n t r o lm a c h i n i n gp r o g r a m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 望蒸日期：彬。g 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 1 留意 趔 泣吐年业月互日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 论文的提出与意义 当今，世界的科技发展日新月异，每年的新技术和新产品都以指数级数的速度递增，特 别是世界范围内的信息高速公路的开通，为各国的技术交流创造了条件，学习和借鉴别国的 先进技术、引进先进的技术装备己成为各国提高科技和生产力水平的重要途径。特别是技术 落后的国家要迅速赶上发达国家，只引进，不对引进技术进行消化、吸收、改进和创新，那 么只会落后。随着计算机技术的发展，c a d 技术已成为产品设计人员进行研究开发的重要工 具，其中三维造型技术已被制造业广泛应用于产品及模具设计、方案评审、自动化加工制造 及管理维护各个方面。在实际开发制造过程中，设计人员接收的技术资料可能是各种数据类 型的三维模型，但很多时候，却是从上游厂家得到产品的实物模型，设计人员需要通过一定 的途径，将这些实物信息转化为c a d 模型，这就应用到了反求工程技术( r e v e r s e e n g i n e e r i n g ) 。“” 所谓反求工程技术，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过 三维几何建模方法重构实物的c a d 模型的过程。反求工程技术与传统的正向设计存在很大 差别。传统的产品设计一般需要经过图1 1 所示的设计过程。 产品霄震卜| 鼍盘髓计卜1c d 图1 1 建立c a d 模型的正向工程 f i g i 1g e n e r a le n m n e e r m go f c a dm o d e l i n g n 而反求工程则是从产品原型出发，进而获取产品的三维数字模型，使得能够进一步利用 c a d c a e c a l 以及c i m s 等先进技术对其进行处理。它的设计流程如图1 2 所示，与图1 1 的不同之处在于设计的起点不同，相应的设计自由度和设计要求也不相同。 在许多情况下，要在只有产品的实物模型、样件这样的条件下进行产品的制造，如汽车 外形、人造假肢、陶瓷产品、艺术雕塑品和各种复杂零件。由于这类零件或产品具有非常复 杂的曲面，其设计表达或数学模型的建立是非常困难的，一旦重构出自由曲面和建立c a d 模 型后就可以对它进行后续的操作，如产品设计、有限元分析、模型修改、误差分析和数控代 复杂曲面冲压模具反求工程和数控加工编程的研究 码生成等，反求工程与传统的正向工程的区别在于：正向工程是由抽象的较高层次概念或独 立实现的设计过渡到设计的物理实现，从设计概念到c a d 模型具有一个明确的过程；反向 工程是基于一个可以获得的实物模型来构连出宅的设计概念，并且可以通过重构模型的特征 的调整和修改来达到对实物模型、样件的逼近和修改，以满足生产需求，从数字化点的产生、 到c a d 模型的产生是一个推理的过程。 实擀怕字纯h c a dk 叫眦k 洌洲 图1 2 建立c a d 模型的反求工程 f i g 1 2r e v e r s ee n g i n e e r i n go f c a dm o d e l i n g 通过对实物模型、样件复杂曲面的数字化及处理再重新构造c a d 模型有着正向工程不 可替代的作用，使得这一技术得到了深入广泛的发展和应用，以成为快速产品开发不可缺少 的重要手段n 1 1 ”，目前美国的c g i 、s m s 、3 d s y s t e m s 、r e v e r s e e n g 公司、英国r e n i s h o w 公司、德国z e i s s 公司、日本的m i y a k a 公司和以色列的t r i a s i c 公司等相继推出各自的 反求测绘设备及与c a d c a m 相集成的软件模块。 一般来说，产品反求工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域 的实际应用中，主要包括以下几个内容：c l ”肋】【”删 ( 1 ) 目前，许多外形设计师还难以直接用计算机进行某些物体( 如复杂的艺术造型、人 体和其它植物外形等) 的三维几何设计，而更倾向于用黏土、木材或泡沫塑料进行原始外形 设计。这就需要通过反求工程将实物模型转化为三维c a d 模型。 ( 2 ) 由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，人们经常对已有的构件做局部修改。在 原始设计没有三维c a d 模型的情况下，若能将实物构件通过数据测量与处理产生与实际相符 的c a d 模型，对c a d 模型进行修改后再进行加工将显著提高生产效率。因此，反求工程在 改型设计方面可以发挥不可替代的作用。 ( 3 ) 以已有产品为基准点进行设计( b e n c h m a r i n g ) 已经成为当今的一条设计理念。目 前，我国在设计制造方面距发达国家还有一定的差距，利用反求工程技术可以充分吸收国外 的先进的设计制造成果，使我国的产品设计立于更高的起点，同时加速某些产品的国产化速 度。 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 对某些大型设备，如航空发动机、汽轮机组等，常会因为某一零部件的损坏而停 止运行，通过反求工程手段，可以快速生产出这些零部件的替代件，从而提高设备的利用率 和使用寿命。 ( 5 ) 对数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的 比较。 反求工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递 的重要和简洁途径之一反求工程在冲压模具设计中的实施，可以帮助模具设计者提取模具 模型中的参数，显著地减少模具开发设计时间，前期生产及工艺探索的工作量、降低其工 作难度、试模周期和费用。为工厂企业提高经济效益、适应市场竞争，带来显著的技术经济 效果。并为以后涉及到其它类似产品模具的反求，提供理论及其实际设计经验。 1 2 复杂曲面冲压模具反求工程综述”删 图1 3 反求工程在冲压零件和成形模具中的应用 f i g 1 3a p p l i c a t i o no f r ei ns t a m p i n gp a r t sa n df o r m i n gm o u l d 复杂曲面冲压模具反求工程和数控加工编程的研究 由于模具的生产方式和模具几何形状的特点，反求工程技术在模具复制中的应用主要在 以下两个方面：( 1 ) 以样本模具为对象进行的复制。这是一种相对比较简单的复制，只要 能测绘出样本模具的各种参数，就能着手进行复制工作。( 2 ) 以样本零件实物为对象，并 通过制造模具进行的复制。由于零件模具化生产的特点，使得样本零件本身就已包含了许多 由于热或压力等多种因素而引起的各种变形，这就为复制数据的获取和处理带来了相当大的 困难，特别是对这些变形的补偿问题。同时，由于对样本零件的生产工艺与过程的不甚了解， 又给复制零件的再设计带来了困难。以上这两个方面的困难在复杂零件的复制过程中尤为突 出，因此必须辅以相应的计算机辅助技术与手段。在这一类情况的复制过程中，整个工作过 程也许是反复和循环的。从上面两种复制情况看，应尽可能地直接复制模具，以减少整个复 制过程的误差，不然就必须充分了解零件样本的实际应用环境与性能，并尽可能地做好再设 计工作，以确保复制零件的应用性能。 根据模具加工方式的不同，把复杂冲压零件与成形模具的反求工程分为如图1 3 所示的 两种方式。第一种方式是基于快速原形制造技术( r p m ) 的反求工程，在c a d 模型重构后，生 成s t l 切片，通过r p m 技术制造出冲压零件。第二种方式是基于传统加工技术的反求工程， 在c a d 模型建立后，通过原始尺寸还原成形模具设计与三维建模、成形过程仿真、落料件 反求等步骤的循环往复，然后生成模具型腔c n c 代码，最终制得冲压产品。本文将针对第 二种方式展开论述。 反求工程有三个主要研究内容：一是样件表面数据获取技术，即数字化技术；二是曲 面构造技术：三是设计产品的工艺等相关的反求。 1 2 1 样件表面数字化技术“” 近年来，随着传感技术、控制技术、制造技术等相关的发展，出现了各种各样的样件表 面数字化方法，主要分为接触式和非接触式两类。非接触式触头不接触待测物体的表面，其 数据传递介质有激光，声波和电磁场三种，其中常见的为以激光为媒介的激光三角形法和激 光成像法。非接触式测量的特点是测量速度快，因而可以相当密集对产品表面进行测量， 形成所谓的“点云”( p o i n tc l o u d ) 数据。接触式测量有点位触发式数据采集和连续式数 据采集两种，前者采集速度较低，一般只适用零件的表面形状检测，或需要数据较少的表面 数字化的场合；后者速度快，因而可用于采集较大规模的数据。此外，根据采集数据所采用 的机械驱动装置和数据采集原理的不同，采集到的数据分布有完全散乱和呈一定规则分布 ( 如以图像方式、轮廓线及截面线等) 两种类型。 1 2 2 曲面拟合技术 - 4 一 大连理工大学硕士学位论文 曲面拟合技术是计算几何的重要研究内容，众多的研究成果以为反求工程中曲面重构提 供了理论基础。概括如下： ( 1 ) 矩形域参数曲面拟合技术“”在计算几何里，常用的曲面模型有c o o n s 、b e z i e r 、 b - s p l i n e 、n u r b s 等，因而这类曲面的拟合方法一直是曲面拟合的研究重点，许多研究成果 已成为成熟技术并在c a d c a i i 中广泛应用。然而，这类曲面的拟合都对型值数据有较严格 的要求，一是要求以张量积形式分布；二是型值数据变化不能太剧烈，否则曲面的光顺性得 不到满足。 ( 2 ) 三角域b e z i e r 曲面拟合o ”，为了弥补矩形域拟合散乱数据和不规则曲面的不足， 人们探讨了采用三角域b e z i e r 曲面拟合技术。三角域b e z i e r 曲面拟合是以b o e h m 等提 出的三角b e z i e r 曲面为理论基础，它具有构造灵活、适应性好等特点，在散乱数据点拟合 中有效应用。一般来说，定义于三角形上的插值方法有3 个步骤： 三角化对型值数据进行三角化，以建立拓扑关系； 曲线网的建立对每一个三角形边进行b e z i e r 曲线拟合； g 1 曲面的建立在保证相邻曲面面片达到g 1 边界的条件下，用三角形面片填充曲面网 格。 ( 3 ) 函数曲面拟合方法函数曲面也是一种处理散乱数据的较为有效的方法，其特点是构 造原理简单，但它对数据的规模适应性不强，数据太少则拟合精度难以保证，数量太大则计 算量及存储等都成问题。另外，对边界的处理也难尽人意。主要方法有薄板样条法、s h e p a r d 插值法等。 1 2 3 反求工程中曲面重构技术 在反求工程中，曲面重构有其自身特点：( 1 ) 曲面型面数据散乱，且曲面对象边界和 形状有时极其复杂，因而一般不便直接运用常规的曲面的构造方法；( 2 ) 曲面对象往往不 是简单地由一张曲面构成，而是有多张曲面经过延伸、过渡、裁剪等混合而成，因而要分块 构造；( 3 ) 由于数字化技术的限制，在反求工程中还存在一个“多视数据”( 即从不同方 向或位置测量的数据块) 问题。目前，在反求工程中，按曲面的表示方法，曲面重构可分为 隐式形式和显式形式两大类。按曲面构造的方法，主要有3 种：一是以b - s p l i n e 或n u r b s 曲面为基础的曲面构造方案；二是以三角b e z i e r 曲面为基础的曲面构造方案；三是以多面 体形式来描述曲面物体。 隐式形式中广泛使用的二次曲面( 平面、球、柱、回转体等) ，大量使用二次曲面的直 接原则是许多物体可以用二次曲面型素精确地表达，如同实体造型中c g s 树，这类物体可 以看成是一系n - - - - 次曲面型素间的集合运算的结果，文献阱1 指出最大似然估计也许是二次曲 面重构的最好方法。文献嘲1 对隐式形式下曲面重构的几何不变性作了曲面的综述。工程中， 复杂曲面冲压模具反求工程和数控加工编程的研究 许多物体既包含了二次曲面又包含自由曲面，这类曲面的重构不仅要考虑隐式格式，更重要 的是采用显式格式。 显式格式的曲面重构包括曲面插值和曲面逼近。曲面插值要求曲面严格地通过数据点， 通常将曲面插值分为整体插值和局部插值。整体插值中，一个数据点的变化将影响整个曲面， 该方法的明显缺陷是随着插值点的增加，计算工作量显著增加。而局部插值利用数据点的子 集形成建模函数，更适合于大量的数据点。针对散乱数据，s h e p e r d 给出l a g r a n g e 形式 的显式插值函数，任一点的函数值等于所有散乱数据点函数值的距离加权平均，通过指定局 部影响半径，方便地将整体插值转化成局部插值形式。该方法特别适合于大量散乱数据点的 建模，但插值精度和光顺性较差。d u n c h o n e ”j 提出的薄板样条方法和h a r d y 提出的多二次方 法均由半径基函数组成的插值函数构造曲面模型s ( x ，y ) ，这两种整体格式的插值方法需 要求解线性方程组以确定曲面模型s ( x ，y ) 中的系数，当数据量较大时，方程可能出现病 态。b r a d e l y 口1 1 在x y 平面内构造一系列的局部单元，分别用d u n c h 薄板样条方法和h a r d y 提出的多二次方法重构局部曲面片。该方法通过特定算法使各局部曲面片融合以保证局部区 域的连续性，曲面模型s ( x ，y ) 由一系列局部曲面片组成。b r a d e l y 指出h a r d y 的多二次 方法更适合大规模散乱点的曲面重构，但这集中方法不便于图形信息的交换。 曲面逼近格式并一定要求重构后的曲面通过数据点，该方法一般可以归结为变分问题。 反求工程中，曲面离散点经曲面重构所得的形状不应随着坐标系的选取而变化，故要求曲面 重构具有对刚性运动的几何不变性。参数表示为其提供了便利，可通过适当的参数选择使参 数曲面获得几何不变性。v a m u n i 按主曲率将曲面上的点分成不同的类型，同类点融合成性 质相同的区域，实现了基于曲率的定性曲面表达。s c h m i t 和b a a r s k y 使用适应性侵害算 法构造几何连续的分片矩形b e z i e r 曲面。p a r k 和k i m 采用g 1 连续的分片三次b e z i e r 曲 面对散乱数据点实现曲面重构，根据给定的精度自适应地调整曲面网格。r o g e r s 和f o g 呻1 提出约束b 样条曲面拟合算法，较好地解决了控制点地控制问题该算法通过检测数据点和 曲面间的距离控制迭代算法收敛。由于迭代之前要进行参数化，故只适应于呈拓扑举行分布 的数据点。 1 3 数控加工系统与数控编程 ， 1 3 1 数控加工系统 ( 1 ) 数控机床啪1 ：数控机床是一种按照输入的数字程序信息进行自动加工的机床。1 9 5 2 年美国研制出世界上第一台数控铣床，开创了世界数控机床发展先河。我国于1 9 5 8 年由清 华大学和北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控机床。5 0 年代末期，美国k & t 公司开 发了世界上第一台加工中心。从而揭开了加工中心的序幕。1 9 6 7 年，英国首先把几台数控 机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的f m s 。7 0 年代，由于计算机数控( c n c ) 系统 大连理工大学硕士学位论文 和微处理机系统地研制成功，使数控机床进入了一个较快的发展时期。8 0 年代以来，随着 数控系统和其他相关技术的发展，数控机床的效率、精度、柔性和可靠性进一步提高，品种 规格系列化，门类扩展齐全，f m s 也进入了实用化。8 0 年代初出现了投资较少、见效快的 f m c 。现在数控机床朝着高精度化、高速度化、高柔性化、高自动化方向发展。 ( 2 ) 快速成型：快速原型技术( r a p i dp r o t o t y p i n g ，r p ) 是8 0 年代末期为了适应产品 变化快、生产周期短的生产特点而发展起来的“一项集机械c a d c a m 、c n c 、激光及材料科 学于一体的新型技术”。溶入并行工程概念的快速成型技术，能很快制造出不同大小和复杂 程度的零件原型，大大缩短新产品的开发周期，是快速产品开发( r a p i dp r o d u c t d e v e l o p m e n t ，r p d ) 的一种重要支撑技术。快速原型技术的基本原理是：根据零部件的形 状首先利用c a d c a l 系统制作出零部件的三维模型，再通过数据处理将三维模型横截成一系 列二维平面模型，将感光聚合材料置于容器内，利用快速成型设备按照平面模型的形状进行 扫描，使感光聚合材料逐层固化，通过逐步叠加二维薄层最终形成三维实体零部件。成形之 后，再经过必要的后处理，使其在外观、强度和性能等方面达到零部件的设计要求。由于这 种技术自由度的限制比较小，在加工曲面上还是有一定的优势的。快速成型最突出的缺点是 用成型机制造的零件物理性比较差。【” ( 3 ) 电加工：电火花机床( e d m ) 的问世，给模具制造也曾经带来怎么样的兴奋，现在的 人们是无法体会到的，电加工在一定程度上解决了复杂自由曲线曲面加工所带来的无法突破 的瓶颈，而复杂曲线曲面是一些模具加工核心也是最困难的问题。从国外的电加工机床来看， 其性能工艺指标、智能化、自动化程度都己达到了相当高的水平，目前国外的新动向是进行 电火花铣削加工技术( 电火花创成加工技术) 的研究开发。这是一种替代传统的用成型电极加 工型腔的新技术，它是用高速旋转的简单的管状电极作三维或二维轮廓加工( 像数控铣一 样) ，因此不再需要制造复杂的成型电极，这显然是电火花成形加工领域的重大发展m 一。 ( 4 ) 其他技术：多点冲模属柔性冲模，在结构上具有一定的柔性，虽然它只是一副冲模， 却可以通过快速调整而使之冲出形状不同的多种冲压零件】。这种冲模特别适合于多品种小 批量生产。体现了敏捷制造的理念。是对冲压系统柔性自动化的一个技术支持。多点冲模是 根据点拟合成线，进而拟合成面的原理工作的，它由一个销子( 相当于点元素) 构成多点矩 阵结构，其上、下模分别由一组销子构成这些销子在高度方向上的尺寸变化，是根据零件的 形状来确定的。由于销子高度调整和控制方法的不同，多点冲模将有不同的柔性结构，其中 能较好符合柔性自动化要求的一种结构是经过调整后，前后左右彼此紧贴的方形密集销子构 成的多点冲模。 1 3 2 数控加工技术 复杂曲面冲压模具反求工程和数控加工编程的研究 随着数控机床技术的发展，数控编程技术也飞速发展起来，上世纪5 0 年代，麻省理工 学院( m t t ) 设计了一种专门用于机械零件数控加工编制的语言a p t 。其后m i t 组织美国各大 飞机公司共同开发了a p ti i 。到了6 0 年代，在a p ti i 的基础上研制的a p t i i i 已经到了应 用阶段。之后又几经修改和充实，发展成为a p ti v 、a p t a c 和a p t i v s s 。1 9 7 2 年，美 国洛克西德加利福尼亚飞机公司首先研制成功采用图像仪辅助设计、绘图和编制数控加工程 序的一体化系统c a d c a m 系统。如此揭开了c a d c a m 一体化的序幕。国内西北工业大学，华 中科技大学等开发的图形编程系统如n p u g n c p 和i n t e c a m 也具有2 5 维零件加工可雕塑曲 面多轴加工等功能，达到了实用化程度。日益增多的复杂形状零件和高精、高效的加工对数 控编程技术提出了越来越高的要求，面向复杂形状零件、多轴加工和加工过程优化的数控编 程技术越来越重要。同时，为适应高速加工、c i m s 、并行工程和敏捷制造等先进制造技术的 发展，缩短产品研制生产周期以柔性与快速地响应市场需求，数控编程技术呈现出进一步向 集成化、智能化、自动化、易使用化和面向车间编程等方向发展的趋势。 l 溯已诅剜咱麟越魉戎酾i 剜墼稿聋蚓荽拥瞬嗣髓霞创l 工中托垂蟠暴 黉譬耳匕亡_ 伺雀毫共。拭 王 l 对模型进行加工工艺方法的分析定 l出n c 列朝莹力嚷 上 i 兰坐枥磷崮移珏聃谊懒 i l 建立n c 热硼劬畋丈俘1 0 建立1 、- c 力n 丁：雠c 疋件 i 无争盈骘耀 i 霉蠕冬口丑理靠酗蕾泊每蟛济l 上 - 雏鹰群嘲叻芷亡 净争 l 工 l 携翻氆髀驴睁试她艄日 善 l , , i c 棚嗣帑正皇0 坦鹅肋旺 图1 4n c 编程流程图 f i g ! 4 n c w r i t e p r o g r a m b o w c h a r t 大连理工大学硕士学位论文 数控编程的过程就是把c a d 和c a m 有机联系起来的过程。首先确定数控刀具轨迹编程方 法，如铣外形法、铣槽法、行切法等，然后调用已建立好的模型或己设计好的型面，给出有 关刀具参数及刀具运动、退刀平面、进刀点、加工余量、精度、表面粗糙度等信息，建立数 控( n c ) 加工信息文件和n c 加工控制文件。根据不同的n c 加工设备进行后处理，将n c 加 工信息文件和n c 加工控制文件转变为某台n c 设备能接受的命令文件 一般情况下，在正式加工之前，采用c a m 的验证程序进行切削仿真，然后来用硬泡沫塑 料进行试切，以保证程序编制的正确性，图1 4 是n c 编程的过程流程图。 1 4 本文的主要工作 本论文主要是对复杂零件曲面的反向工程和数控加工编程的研究，结合反向工程的关键 技术，以整体侧围模具的表面曲面为例进行了以下研究工作。 ( i ) 通过分析比较三坐标测量机的几种测量方法，针对不同几何形状物体，特别是带有 复杂曲线、曲面物体，提出了相应的测量方法。 ( 2 ) 研究如何在保证测量精度，正确反映几何形状的条件下，减少扫描数据点，提高测 量效率的测量。 ( 3 ) 研究如何应用计算机辅助设计技术，根据冲压模具设计的特点及反求需求，研究了 适合复杂曲面冲压模具反求工程的几何建模技术。 ( 4 ) 对浩瀚云海的扫描数据点，又称为“点云”，采用什么有效的方法消除各种干扰因 素，对其进行噪声点的剔除、滤波、平滑等光顺处理以及“点云”数据分割的原则。在c a t i a v 5 软件环境下，编制出复杂曲面的模型。 ( 5 ) 研究复杂曲面的数控加工编程工艺，在c a t i a 软件环境下，编制出复杂曲面的数控 加工程序，最后生成能在加工中心上运行的数控g 代码，以便加工出复杂曲面。 复杂曲面冲压模具反求工程和数控加工编程的研究 2 复杂曲面的数宇化方法 2 1 引言 随着工业化程度的提高，人们对产品的精度和生产效率的要求越来越高。所以对产 品几何量的精密计量提出了高精度，高效率的要求。由于建立复杂自由曲面的数学模型 非常困难，因此要借助反求工程，对零件的复杂自由曲面进行精密测量，目的是将零件 的物理模型转化为测量的数据点，然后根据数据点建立零件的c a d 模型和产生模型的n c 加工轨迹。 为将一实物模型映射成三维几何模型，首先需采集实物表面上的三维坐标点，即复 杂曲面的数据获取技术。数据获取是反求工程的基础，对自由曲线、曲面的测量过程是 一个过程，即用一系列离散的点提取曲线、曲面的原始形状信息，研究高效、高速、 高质量地采集曲面、曲线的坐标信息，对实现产品的快速开发具有重要意义。 2 2 复杂曲面的数字化方法 随着传感技术、控制技术、制造技术、软件工程等相关技术的发展，目前已出现了 多种表面测量方法”。根据测量时测头和被测表面间的位置关系，这些测量方法可大 致分为接触式和非接触式两种。其基本分类见图2 1 。 图2 1 曲面数字化方法 f i g 2 ，1t h e & g i t i z n gm e t h o d so f c u r v c ds u r f a c e 大连理工大学硕士学位论文 2 2 1 接触式方法 ( 1 ) 手动测量 在坐标测量机出现以前这是唯一能将物理模型转化成工程图的方法。它是触发式接 触测量方法。首先在产品上定义一系列关键点或曲线( 或称特征点、曲线) ，然后手动 测量这些关键点或曲线。通过插值生成三维模型。最早使用的工具是圆规、块规和轮廓 仪等。随着精密位移传感器的发展和应用，已出现了专门测量曲面的手动三维测量仪， 如美国的m i c r o s c r i b e 一3 d 三维测量仪，它的测量精度可达到0 0 2 5 脚整个测量系统 由机座、支撑座和测头组成，它的测量范围为以机座为中心的一个某直径的球，其测量 方便灵活，对使用环境要求低，对提取复杂曲面的特征点特征线很方便，较为困难的是 被测量实物模型样件在测量前的划线，即测量规划。 ( 2 ) 坐标测量机( c 删) 方法嘟1 坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r e m e n tm a c h i n e ，简称c m m ) 是目前实现自由曲面反 求中较常用的设备。坐标测量机对自由曲面的测量有点位测量和连续扫描两种模式，通 常对曲面的测量方式一般都是采用扫描法。为实现扫描测量，通常需要定义工件坐标系 和给定扫描“起始点”、“方向点”和“终止点”及“扫描平面” 测头是c m m 的关键部件之一。接触式测头包括硬测头和软测头，而软测头又可分为 开关发讯测头和扫描式微测头。扫描测头无论从精度还是速度上都优于发讯测头，使c 删 技术提高到一个新水平。当前从国外进口的数控加工中心中，测头作为附件同时购入， 它的作用主要是用于对所加工曲面进行检测。 由于自身结构的限制，c m m 测量存在如下不足：曲面的扫描是基于单条扫描线的 集合，效率低，测量时间长；扫描点和扫描线数是有限的，对复杂曲面的划分不当将 造成在曲率变化较大的表面信息采集相对不足；“切片”式的扫描路径与c a d 软件的 曲面重构方法不完全致；扫描路径规划不当容易造成测量中断和测头损伤。所以， 在用c m m 对曲面进行数字化测量时，还需对面片划分和测量路径规划进行详细分析，以 期提高测量效率和数据的有效性，在有限的曲面信息上构造出高质量的曲面。 著名的三坐标测量机的厂商有f i d ia ，b r o w n & s h a r p ，m i t u t i y o ，q - m a r k m a n u f a c t u r i n g ，r e n i s h a w ，z e i s s 。典型的系统包括英国r e n i s h a w 公司生产的 r e t r o s c a n 扫描系统和c y c l o n e 高速扫描机，及法国l e m o i n e 扫描系统。 ( 3 ) 电磁数字法 该方法是将被测物体置于由磁场包围