隨著計算機技術在制造領域的廣泛應用，基于數據測量的產品造型技術成為逆向工程技術關注的主要對象。通過數字化測量設備（如坐標測量機、激光測量設備等）獲取物體表面的空間數據，經過逆向工程技術的處理獲得產品的數字模型，進而輸送到CAM系統完成產品的制造。逆向工程已經作為一種先進的設計方法被引入到新產品的設計開發工作中，以避開艱苦的原型設計階段，是一個對產品進行再設計的階段。

1、曲面的三坐標測量

    在逆向工程技術中，獲得重構CAD模型的離散數據，即數字化技術是關鍵的一步。只有獲得正確的測量數據，才能進行誤差分析和曲面比較，實現CAD建模。數據的采集是指采用某種測量方法和設備測出實物各表面的若干組點的幾何坐標，可以有多種方式進行數據采集。傳統方法就是以三坐標測量機(CMM)為代表的接觸式，也是實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、硬材料的各種復雜曲面模型的三維高速測量。

2、基于Geomagic的復雜曲面的模型重建

    Geomagic Studio是由美國3D Systems公司研發的逆向工程應用軟件，它以先進的數學模型、曲面構造理論為基礎，可從掃描所得的點云數據創建出多邊形模型和網格，并可自動轉換為NURBS曲面。Geomagic Studio提供了直接點構面的全新的構面方式，改變了傳統的點→線→面的構面方式。下面以小貓曲面點云（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 小貓曲面點云數

    （1）點階段（Point Phase）。這個階段為點云數據的預處理階段。利用點云處理功能如降噪特性以及編輯和過濾工具，實現點云到多邊形階段的過渡，實現小貓數字模型的優化。處理完成后，即可進入多邊形階段，數據格式也由離散數據點轉換為多邊形格式（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格數據進行表面光順與優化處理，以提高后續的曲面重建質量。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（boundary repair）、特征構建（feature creation） 等多邊形幾何再造功能實現小貓曲面因為掃描而出現的缺憾。

    （3） 成形階段（Shape Phase）。其過程包括首先利用Detect Curvature功能根據計算的曲率結果找出多邊形數據中的特征線（ContourLine）。在特征曲線的基礎上，利用Construct Patches功能在多邊形數據上自動生成四邊形網格（圖3）。自動生成的四邊形網格往往呈現不規則的網狀，利用網格編輯功能將其排成比較規則的網格面。然后利用Construct Grid功能為每一個網格內建立UV參數線，最后使用Fit Surface功能為每一個四邊形網格自動生成連續的曲面片（圖4）。這個階段主要完成數據分塊與曲面構造功能。造型完成后，軟件還可以對曲面進行整體的光順、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軟件進行數據交換。

圖3 特征線及四邊形網格

圖4 完成小貓的NURBS曲面

3、復雜曲面的NC仿真加工

    通過CAD模型的重建技術，用戶可在計算機上生成所需的各種復雜曲面，通過已有的CAD/CAM軟件系統，可自動編制復雜曲面的數控加工程序。通過與計算機網絡連接的數控機床，進而在數控機床上準確地加工出相應的零件或模具。加工復雜型面一般采用球頭銑刀數控銑削，程序給出的加工軌跡是刀頭球心的運動軌跡。

    曲面加工選擇CAXA制造工程師進行。將在Geomagic生成的小貓曲面導入CAXA中進行NC模擬仿真。小貓曲面的數控加工為凸面加工。在CAXA制造工程師軟件的“CAM”環境下，利用“加工管理”模塊中的“模型、“毛坯”“起始點”、“機床后置”、“刀具庫”、“刀具軌跡”等功能，進行小貓曲面加工編程過程中的一些例如坐標系、刀具的建立、模型、毛坯和進退刀等公用選項的創建。實現小貓曲面的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、結束語

    逆向工程中的CAD建模技術已廣泛應用于產品設計、零件修復、動畫以及數字媒體等諸多領域，在數據獲取與處理、曲面擬合、商用專業軟件等方面的研究開發上也已取得了很大進展。基于逆向工程技術，在計算機網絡和CAD/CAM集成技術的支持下進行復雜曲面重構，縮短了產品的開發周期，提高了產品開發質量、增加產品的技術含量并降低產品的開發成本，有效地解決了其產品特別是形狀復雜的曲面的最終設計問題，實現了從產品設計到加工整個過程信息流流暢快捷的目標，增強了經濟競爭力。

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本文標題：基于Geomagic的復雜曲面的反求設計及NC仿真加工

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