自由曲面的逆向反求及数控加工技术研究.DOC

自由曲面的逆向反求及数控加工技术研究 俞冠珉 天津大学机械工程学院机械工程专业2012级硕士生 摘要：由于自由曲面在功能及外形体验上极大地满足了未来对产品设计的要求，使得自由曲面越来越多地被应用于航空航天、交通运输以及模具制造等行业当中，但现阶段自由曲面的加工技术与反求策略等尚不完善，限制了其进一步的发展。因此，本文将从逆向反求和数控加工两个方面对自由曲面的相关技术现状进行探讨。 关键词：自由曲面 逆向 反求 数控加工 0 前言 自由曲面广泛应用于航空航天、交通运输以及模具制造等行业当中。由于自由曲面的独特性能和友好的外观感受，其应用领域变得愈加广泛。 在工业领域，传统的产品开发过程采用正向设计的思维进行，即从市场需求中抽象出产品的概念描述，据此建立产品的CAD模型，然后对其进行数控编程和数控加工，最后得到产品的实物原型。但在很多场合，正向设计很难获得设计参数，产品开发则从已有的实物模型着手，从这些模型中获取三维信息的过程即为逆向处理过程。自由曲面作为较难正向设计的特征之一，对其的设计流程就往往采用逆向反求的思想。 随着计算机技术、数控技术以及精密测量技术的发展，自由曲面的设计、加工和检测难题得到了很大程度上的解决：在设计方面，如曲面造型技术、反求工程；在加工方面，如五轴加工中心、精确控制系统；在检测方面，如高精度的CMM和先进的测量理论。本文将从逆向反求和数控加工两方面论述国内外自由曲面加工技术的研究现状和趋势。 1 自由曲面的逆向反求技术概况 1.1 自由曲面的逆向测量技术 目前可应用于自由曲面测量的方法和设备有许多种，这些测量方法和设备中，有的在自由曲面反求技术出现之前就已在工业界得到广泛应用，如CMM、CT、MRI等，有些则是为了解决自由曲面测量而专门开发的方法和设备，在现有自由曲面测量的测量仪器中，其原理和方法不同，因而各具优缺点，尤其值得一提的是每种方法都有其侧重的工程应用领域和背景，为此本文将对这些方法加以分析说明。 数据获取技术即3D数字化技术，是将实物模型包含的表面几何信息精确地转换成CAD/CAM系统能够接受的数字信息，数字化技术包括数字化设备和高效、准确的数字化策略两个方面。数字化的手段有很多种，主要有： （1）三坐标侧量机[1] 三坐标测量机可以配备触发式测量头和连续扫描式测量头，对被测件进行单点测量和扫描测量。三坐标测量机具有测量精度高的优点，但其测量速度和效率较低，不能对松软物体进行测量，而且需要对测量数据进行测头半径补偿。然而由于三坐标测量机能够对被测件的几何量进行精密测量，它在反求工程中仍然有较广应用。目前，通过在三坐标测量机上配备激光扫描测头，实现坐标测量机的非接触式测量，大大地提高了三坐标测量机的应用范围。 （2）激光扫描测量法[2,3] 激光扫描测量法，又称光切法，是一种基于线结构光和三角测量原理的非接触式测量方法。该方法沿着扫描方向顺序采集测量数据，在测量时不与被测件发生接触，因而可以对松软物体进行测量，而且测量速度快，测量数据无需进行测头半径补偿。这些优势使激光扫描测量法在反求工程中占据了重要位置。 （3）投影光栅法 投影光栅法也是一种基于线结构光和三角测量原理的非接触式测量方法，与激光扫描测量法不同的是，投影光栅法通过图像处理的方法，一次得到整幅图像上像素的三维坐标。该方法测量速度快，无需运动平台，具备大规模采集表面数据的能力，在飞机、汽车等大型复杂曲面零件的表面测量中具有广阔的应用前景。 （4）层切法[4,5] 层切法采用铣削的方法将被测件一层一层地剥离，然后在每层上用CCD摄像头摄取断层图像，并提取边界轮廓。该方法最大的优势是能够获得被测件内表面数据，不足之处在于被测件在测量过程中被破坏。 （5）工业计算机断层扫描成像法[6] 工业计算机断层扫描成像法。又称工业CT法，利用CT扫描设备对被测件进行层析扫描，获取被测件在各个切片层上的内外轮廓数据。该方法同样能够获得被测件内表面数据，而且不破坏被测件，但目前测量精度还比较低。 总体上，这些数字化方法可分为接触式和非接触两种[7]，见图1。接触式测量有点位触发式和连续扫描式两种。非接触包括超声波法、电磁法和光学法。光学测量法应用最广，按原理可分为三角形法、测距法、干涉测量法、线结构光法和CCD图象分析法。非接触中最常用的是光学测量法[8,9]。 图1 数字化方法分类 Fig.1 Classification of digitizing methods 触发式接触测头测量精度高但测量速度慢，一般只适用于零件的表面形状检测，或需要数量较少的表面数字化的场合；装有连续扫描测头的连续式数字化方法是最适合于生产车间环境的数字化方法，而且能保证较短的扫描时间和最佳的测量精度，但易损伤被测表面，而且不能对软质材料和超薄物体进行测