CN110837715A

CN110837715A - 一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法

Info

Publication number: CN110837715A
Application number: CN201911178493.7A
Authority: CN
Inventors: 马文魁; 谢秋晨
Original assignee: Henan Mechanical and Electrical Vocational College
Current assignee: Henan Mechanical and Electrical Vocational College
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2020-02-25
Anticipated expiration: 2039-11-27
Also published as: CN110837715B

Abstract

本发明公开了一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法，包括以下步骤：1)复杂曲面网格划分；2)曲面加工检测；3)补偿曲面重构点计算；4)补偿加工曲面重构及补偿路径规划。本发明属于数控加工技术领域，具体是指一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法，旨在基于逆向工程技术的曲面造型方案，将逆向工程技术应用于复杂曲面加工误差补偿的方法，从而为高精密加工复杂曲面零件提供理论依据。

Description

一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法

技术领域

本发明属于数控加工技术领域，具体是指一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法。

背景技术

逆向工程技术，又可称之为反求技术，是近年来在零件曲面造型方面，尤其是在复杂曲面的造型技术领域应用较为广泛的一种方法。逆向曲面造型技术主要针对无CAD模型的现有零件产品，通过对零件测量点云数据的拟合处理，实现对零件三维模型的建立，从而可进一步对产品零件进行分析、结构优化调整及加工操作等，该方法能够有效的降低产品的设计制造周期，加快产品的更新迭代速度，提高制造效率，抑制开发成本，对企业在该领域同类型产品市场竞争力的提升有着重要的意义。虽然逆向工程技术在产品实物的反求设计方面作用显著，并取得了一定的研究成果，但是对于将逆向工程技术应用于产品的制造加工过程，特别是对于复杂曲面制造过程中加工误差的抑制的方法研究还相对较少。因此，以逆向工程技术为背景，提出一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法，对零件加工精度的提升建立了保障，也可为相关研究工作的实施提供借鉴。现有的文献中所提出的方法主要针对零件的逆向工程设计，对零件曲面三维模型的建立作用显著，但并没有涉及如何将其应用于零件的加工误差补偿，或者现有技术中所建立的曲面重构模型复杂、数学计算量大而且需要考虑多种参数的影响，直接应用于生产实践的效率相对较低。

发明内容

为解决上述现有难题，本发明提供了一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法，旨在基于逆向工程技术的曲面造型方案，将逆向工程技术应用于复杂曲面加工误差补偿的方法，从而为高精密加工复杂曲面零件提供理论依据。

本发明采用的技术方案如下：一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法，包括以下步骤：

1)复杂曲面网格划分：利用三维软件实现对曲面理论CAD模型进行STL(StandardTemplate Library)格式的网格划分；

2)曲面加工检测：在CAM软件中对步骤1)所述的理论曲面CAD模型进行加工刀具路径规划，由数控机床完成对零件曲面的加工，并利用相关检测设备实现对零件加工曲面的检测；

3)补偿曲面重构点计算：将步骤2)所述的理论曲面CAD模型的数据信息和测点数据信息导入商用数学软件中，利用镜像原理，计算获得重构补偿加工曲面的点云数据；

4)补偿加工曲面重构及补偿路径规划：在三维软件中实现对步骤3)所述的重构补偿加工曲面的点云数据的导入，利用上述该点云数据实现对补偿加工曲面的拟合，并由步骤3)所述的重构补偿加，工曲面作为加工驱动体，在CAM软件中实现对补偿加工路径的生成。

进一步地，步骤1)所述的基于三维软件的建模模块，将曲面理论CAD模型的复杂曲面划分为由多组三角面片所构成的曲面模型，并以文本格式导出模型的STL数据信息，以**.stl格式进行保存，模型STL格式文件的数据是由多组三角面片单元数据所组成，每组单元数据结构相同，包含一个三角面片的法向矢量值和三个顶点坐标值，该数据结构为后续MATLAB软件信息的读取提供了便利。

进一步地，步骤1)所述的网格划分可实现对理论模型离散数据信息的获取。

进一步地，步骤2)所述的基于三维软件的CAM模块对步骤1)所述的曲面模型STL网格划分及模型STL格式部分所示的复杂曲面进行刀具路径的规划设置，并利用后置处理程序实现对数控加工代码的生成，通过数控机床按照所生成的数控加工代码完成对零件的加工操作，并利用三坐标测量机实现对加工曲面的检测，记录测点数据信息。

进一步地，步骤3)所述的曲面加工误差补偿是以零件曲面实测点为数据基础，基于镜像反变形的思想计算获取补偿曲面重构点位数据，并以此数据对补偿曲面进行重构，补偿曲面重构点的具体计算步骤为：

1)MABLAB软件的数学运算及数据处理能力，利用由Fast STL import function功能读取曲面模型STL文件中三角面片顶点坐标、法向矢量及面片编号信息，数据读取完成后，可利用trisurf函数实现对三角面片图形的绘制；

2)STL模型数据中包含了每个三角面片的法向矢量和三个顶点坐标值，每个三角面片重心点坐标可由顶点坐标计算获得，如式I式所示：

式中，(x_g，y_g，z_g)表示三角面片的重心点坐标，(x_i，y_i，z_i)，(x_j，y_j，z_j)和(x_k，y_k，z_k)表示三角面片三个顶点坐标；

3)计算实测点Q与所有三角面片重心点G的距离，提取实测点所对应最短距离三角面片的数值组合，确定各实测点所对应距离最短三角面片的编号，实现实测点与其对应三角面片的匹配，测点与重心点的距离入式II式可表示为：

式中，QG表示实测点与重心点的距离，(x_q，y_q，z_q)表示实测点Q的坐标值；

4)计算实测点到所对应三角面片的投影距离，距离计算如式III式所示：

Δd＝|QG·n_q| (III)

式中，Δd为实测点在三角面片上的投影距离，n_q表示三角面片的法向矢量；

5)对实测点的投影方向进行判定，若实测点和重心点连线与法向矢量之间的夹角小于π/2时，法向矢量不变；若实测点和重心点连线与法向矢量之间的夹角大于π/2时，法向矢量反向；

6)根据实测点到对应三角面片的投影距离，将测点沿法线方向通过投影点反向移动，获得补偿曲面重构点P，重构点的计算如式IV式所示：

式中，(x_p，y_p，z_p)表示补偿曲面重构点的坐标值，(n_qx，n_qy，n_qz)表示三角面片法向矢量在X，Y，Z轴上的分量。

进一步地，步骤4)所述的将由MATLAB计算获得的补偿曲面重构点数据并导入三维软件中，利用三维软件建模模块的曲线-曲面拟合功能对误差补偿加工曲面进行重构，以此重构曲面作为加工路径规划驱动几何体，在三维软件的CAM模块中实现对补偿加工数控代码的生成。

进一步地，所述上述步骤可通过切削实验验证该方法的有效性。

采用上述方案本发明取得有益效果如下：本发明基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法,基于逆向工程的曲面造型技术，将逆向工程技术应用于复杂曲面加工误差补偿的方法，从而为高精密加工复杂曲面零件提供理论依据，不仅无需建立复杂的曲面重构误差补偿数学模型，而且有效的提高了复杂曲面的加工精度和生产效率。

附图说明

图1为本发明一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法的曲面模型STL网格划分及模型STL格式部分数据图；

图2为本发明一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法的STL模型的MATLAB读取图；

图3为本发明一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法的实测点投影距离计算示意图；

图4为本发明一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法的实测点云镜像图；

图5为本发明一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法的补偿加工曲面重构图；

图6为本发明一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法的零件加工示意图；

图7为本发明一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法的加工质量对比图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

4)补偿加工曲面重构及补偿路径规划：在三维软件中实现对步骤3)所述的重构补偿加工曲面的点云数据的导入，利用上述该点云数据实现对补偿加工曲面的拟合，并由步骤3)所述的重构补偿加工曲面作为加工驱动体，在CAM软件中实现对补偿加工路径的生成。

本发明基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法,基于逆向工程的曲面造型技术，将逆向工程技术应用于复杂曲面加工误差补偿的方法，从而为高精密加工复杂曲面零件提供理论依据，不仅无需建立复杂的曲面重构误差补偿数学模型，而且有效的提高了复杂曲面的加工精度和生产效率。

如图1所示，基于UG软件的建模模块，将复杂曲面划分为由多组三角面片所构成的曲面模型，并以文本格式导出模型的STL数据信息，以**.stl格式进行保存。模型STL格式文件的数据是由多组三角面片单元数据所组成，每组单元数据结构相同，包含一个三角面片的法向矢量值和三个顶点坐标值。该数据结构为后续MATLAB软件信息的读取提供了便利，基于UG软件的CAM模块，对如图1所示的复杂曲面进行刀具路径的规划设置，并利用后置处理程序实现对数控加工代码的生成。由五轴数控联动机床按照所生成的数控加工代码完成对零件的加工操作，并利用三坐标测量机实现对加工曲面的检测，记录测点数据信息。

如图2所示，基于MABLAB软件的数学运算及数据处理能力，利用由Eric Trautmann所设计的Fast STL import function功能读取曲面模型STL文件中三角面片顶点坐标、法向矢量及面片编号信息。数据读取完成后，可利用trisurf函数实现对三角面片图形的绘制，STL模型数据中包含了每个三角面片的法向矢量和三个顶点坐标值，每个三角面片重心点坐标可由顶点坐标计算获得。

如图3所示，计算实测点Q与所有三角面片重心点G的距离，提取实测点所对应最短距离三角面片的数值组合，确定各实测点所对应距离最短三角面片的编号，实现实测点与其对应三角面片的匹配。计算实测点到所对应三角面片的投影距离，由于零件加工过程中，不可避免的会产生过切或欠切误差，因此需要对实测点的投影方向进行判定。若实测点和重心点连线与法向矢量之间的夹角小于π/2时，法向矢量不变；若实测点和重心点连线与法向矢量之间的夹角大于π/2时，法向矢量反向。

如图4所示，根据实测点到对应三角面片的投影距离，将测点沿法线方向通过投影点反向移动，获得补偿曲面重构点P。

如图5所示，将由MATLAB计算获得的补偿曲面重构点数据并导入UG，利用UG建模模块的曲线-曲面拟合功能对误差补偿加工曲面进行重构，以此重构曲面作为加工路径规划驱动几何体，在UG的CAM模块中实现对补偿加工数控代码的生成。

为验证本方案的可行性，对图6所示的工件进行误差补偿加工实验验证，零件加工完成后，分别对未补偿与补偿后的测量结果进行对比，如图7所示，曲面误差补偿加工完成后，加工精度有了明显的提升，从而验证了本发明的可行性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)复杂曲面网格划分：利用三维软件实现对曲面理论CAD模型进行格式的网格划分；

2)曲面加工检测：基于三维软件的CAM模块对步骤1)所述的理论曲面CAD模型进行加工刀具路径规划，由数控机床完成对零件曲面的加工，并利用相关检测设备实现对零件加工曲面的检测；

2.根据权利要求1所述的一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法，其特征在于，步骤1)所述的基于三维软件的建模模块，将曲面理论CAD模型的复杂曲面划分为由多组三角面片所构成的曲面模型并以文本格式导出模型数据信息，所述模型数据信息包含多组三角面片的单元数据，每组单元数据结构相同，所述单元数据包含一个三角面片的法向矢量值和三个顶点坐标值。

3.根据权利要求1所述的一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法，其特征在于，步骤1)所述的网格划分可实现对理论模型离散数据信息的获取。

4.根据权利要求1所述的一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法，其特征在于，步骤2)所述的基于三维软件的CAM模块对步骤1)所述的理论曲面CAD模型进行加工刀具路径规划，并利用后置处理程序实现对步骤2)所述的数控机床加工代码的生成，步骤2)所述的数控机床按照所述的加工代码完成对零件的加工操作，并利用步骤2)所述的相关检测设备实现对加工曲面的检测，记录测点数据信息。

5.根据权利要求4所述的一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法，其特征在于，所述相关检测设备为三坐标测量机。

6.根据权利要求1所述的一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法，其特征在于，步骤3)所述的曲面加工误差补偿是以零件曲面实测点的数据信息为基础，基于镜像反变形的思想计算获取补偿曲面的重构补偿加工曲面的点云数据，所述以重构补偿加工曲面的点云数据对补偿加工曲面进行重构，补偿加工曲面重构点的具体计算步骤为：

1)基于MABLAB软件的数学运算及数据处理能力，读取曲面模型中三角面片的顶点坐标、法向矢量值及三角面片的编号信息，数据读取完成后，可利用相应的函数实现对三角面片图形的绘制；

2)模型数据信息中包含了每个三角面片的法向矢量值和三个顶点坐标值，每个三角面片的重心点坐标可由顶点坐标计算获得，如式I式所示：

Δd＝|QG·n_q| (III)

6)根据实测点到对应三角面片的投影距离，将测点沿法线方向通过投影点反向移动，获得补偿加工曲面重构点p，补偿加工曲面重构点p的计算如式IV式所示：

7.根据权利要求1所述的一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法，其特征在于，步骤4)所述的基于MABLAB软件的数学运算及数据处理能力计算获得的重构补偿加工曲面的点数据并导入三维软件中，利用三维软件建模模块的曲线-曲面拟合功能对误差补偿加工曲面进行重构，重构曲面作为加工路径规划驱动几何体，在三维软件的CAM模块中实现对补偿加工数控代码的生成。

8.根据权利要求1所述的一种基于逆向工程技术的复杂曲面加工误差补偿方法，其特征在于，所述上述步骤可通过切削实验验证该方法的有效性。