曲面零件数控加工定位方法与流程

本发明属于零件加工技术领域，尤其涉及一种曲面零件数控加工定位方法。

背景技术：

在数控加工的过程中，对于外部形状复杂的曲面零件，由于没有准确地加工基准面，因此给数控加工前找加工基准带来了极大的困难。在曲面零件属于单件或者批量较小的情况下，若给曲面零件使用专用的夹具，则会大大地增加曲面零件的制造加工成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种曲面零件数控加工定位方法，旨在解决现有技术中的曲面零件由于其外形形状复杂在机械加工过程中难以找到加工基准的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种曲面零件数控加工定位方法，包括如下步骤：

S100：获取位置关系：提供数控机床，通过所述数控机床固定标记件和曲面零件，并于所述标记件上标记特征点，所述数控机床获取特征点的位置；

S200：获取扫描数据：提供三维扫描仪，通过所述三维扫描仪扫描所述曲面零件和所述标记件，并获取所述曲面零件和所述标记件的点云数据；

S300：重建几何模型：提供计算机，将所述点云数据导入所述计算机，通过所述计算机对所述点云数据进行处理，并得到所述曲面零件和所述标记件的几何模型，将所述曲面零件和所述标记件的几何模型导出；

S400：选取原点：将所述曲面零件和所述标记件的几何模型导入所述数控机床，并以所述特征点为所述曲面零件的加工坐标系的原点。

进一步地，所述步骤S300具体包括以下步骤：

S310：点云预处理：提供计算机，将所述点云数据导入所述计算机，使用所述计算机的逆向工程软件对所述点云数据进行预处理；

S320：特征曲面重构：利用所述逆向工程软件对所需要的所述点云数据进行曲面重构；

S330：导出模型：将所述曲面零件和所述标记件的几何模型导出。

进一步地，在所述步骤S310之后、所述步骤S320之后还包括以下步骤：

S311：导入模型：将已有曲面零件的实体模型导入所述逆向工程软件；

S312：曲面零件数据对齐：将所述曲面零件的实体模型与所述曲面零件的点云数据对齐。

进一步地，所述步骤S320具体包括以下步骤：

S321：标记件曲面重构：利用所述逆向软件对所述标记件的点云数据进行曲面重构，并得到所述标记件的几何模型；

S322：标记件数据对齐：将所述标记件的几何模型与所述标记件的点云数据相对齐。

进一步地，在所述步骤S310中，对所述点云数据进行的预处理包括去除噪声点、去除冗余数据和过滤点云数据。

进一步地，在所述步骤S320中，对所需要特征的点云数据进行曲面重构包括曲面拟合、平面拟合、曲线拟合、曲面拼接和特征造型。

进一步地，所述曲面拟合包括提取分离二次曲面，所述曲面拼接包括光滑拼接相邻曲面块、协调光顺全局曲面块。

进一步地，在所述步骤S330中，把曲面模型与标记件的几何模型以IGS格式或者STP格式导出。

进一步地，在所述步骤S400中，将所述曲面零件和所述标记件的几何模型导入所述数控机床具体为：利用编程软件对所述曲面零件与所述标记件的几何模型进行编程生成代码程序，所述代码程序以g代码的格式导入所述数控机床中以获得所述数控机床的刀路轨迹。

进一步地，所述三维扫描仪位于所述数控机床侧部，所述数控机床上设有用于装载所述曲面零件的工作平台，所述工作平台固定安装所述标记件，所述三维扫描仪包括摄像头，且所述摄像头正对所述工作平台设置并用于获取位于所述工作平台上的所述曲面零件的点云数据和所述标记件的点云数据。

本发明的有益效果：本发明提供的曲面零件数控加工定位方法，首先将设有特征点的标记件和曲面零件固定于数控机床上并获取标记件相对于数控机床的位置关系，三维扫描仪扫描标记件和曲面零件并获取标记件和曲面零件的点云数据，再将点云数据导入计算机，经过计算机处理得到所需要的几何模型，再将曲面零件和标记件的几何模型导入数控机床中并设定特征点为曲面零件的加工坐标系的原点，这就找到曲面零件的加工基准。本发明的曲面零件数控加工定位方法，根据曲面零件外部的标记件上的特征点为依据，从而确定曲面零件的加工坐标系，这种方法不会受到曲面零件的外形限制，使得加工基准易于确定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的曲面零件数控加工定位方法的流程图。

图2为本发明实施例提供的曲面零件数控加工定位方法中步骤S30的具体流程图。

图3为本发明实施例提供的曲面零件数控加工定位方法中步骤S32的具体流程图。

图4为本发明实施例提供的基于逆向工程的曲面零件加工定位装置的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的基于逆向工程的曲面零件加工定位装置的三维扫描仪的爆炸图。

其中，图中各附图标记：

10—数控机床 11—工作平台 12—T型槽

20—三维扫描仪 21—摄像头 22—支撑三角架

30—曲面零件 40—标记件 221—安装块

222—连接组件 223—支撑杆 224—连接板

225—固定螺钉 226—紧固螺钉 2211—铰接槽

2212—直槽 2213—紧固孔 2221—第一连接杆

2222—第二连接杆 2223—调整螺母 2224—铰接球

2241—容纳槽 2242—第一固定孔 2231—第二固定孔。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图1～5描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1～3所示，本发明实施例提供的一种曲面零件30数控加工定位方法，包括如下步骤：

S100：获取位置关系：提供数控机床10，通过所述数控机床10固定标记件40和曲面零件30，并于所述标记件40上标记特征点，所述数控机床10获取特征点的位置；

S200：获取扫描数据：提供三维扫描仪20，通过所述三维扫描仪20扫描所述曲面零件30和所述标记件40，并获取所述曲面零件30和所述标记件40的点云数据；

S300：重建几何模型：提供计算机，将所述点云数据导入所述计算机，通过所述计算机对所述点云数据进行处理，并得到所述曲面零件30和所述标记件40的几何模型，将所述曲面零件30和所述标记件40的几何模型导出；

S400：选取原点：将所述曲面零件30和所述标记件40的几何模型导入所述数控机床10，并以所述特征点为所述曲面零件30的加工坐标系的原点。

具体地，本发明实施例提供的曲面零件30数控加工定位方法，首先将设有特征点的标记件40和曲面零件30固定于数控机床10上并获取特征点相对于数控机床10的位置关系，三维扫描仪20扫描标记件40和曲面零件30并获取标记件40和曲面零件30的点云数据，再将点云数据导入计算机，经过计算机处理得到所需要的几何模型，再将曲面零件30和标记件40的几何模型导入数控机床10中并设定特征点为曲面零件30的加工坐标系的原点，这就找到曲面零件30的加工基准。本发明的曲面零件30数控加工定位方法，根据曲面零件30外部的标记件40上的特征点为依据，从而确定曲面零件30的加工坐标系，这种方法不会受到曲面零件30的外形限制，使得加工基准易于确定。

进一步地，数控机床10设有用于承载标记件40和曲面零件30的工作平台，标记件40的长度方向与宽度方向分别与工作平台的长度方向和宽度方向平行，标记件40上的特征点相对数控机床10坐标系的位置可知，且比较容易确定，在确定曲面零件30的加工坐标系时，可以参照数控机床10坐标系去更为方便准确地确定曲面零件30的加工坐标系。

更进一步地，标记件40与曲面零件30的位置尽量靠近，进一步地提高加工坐标的准确性。

本实施例中，参阅图2所示，所述步骤S30具体包括以下步骤：

S310：点云预处理：提供计算机，将所述点云数据导入所述计算机，使用所述计算机的逆向工程软件对所述点云数据进行预处理；

S320：特征曲面重构：利用所述逆向工程软件对所需要的所述点云数据进行曲面重构；

S330：导出模型：将所述曲面零件30和所述标记件40的几何模型导出。

具体地，将导入的点云数据进行筛选，删掉一些特征点，以降低曲面重构的工作量和使得重构的曲面更逼近真实的部件，最后将重构后的曲面零件30与标记件40的几何模型一起导出。

本实施例中，参阅图2所示，在所述步骤S310之后、所述步骤S320之后还包括以下步骤：

S311：导入模型：将已有曲面零件30的实体模型导入所述逆向工程软件；

S312：曲面零件数据对齐：将所述曲面零件30的实体模型与所述曲面零件30的点云数据对齐。

具体地，将已知的曲面零件几何模型导入到点云数据中，然后再已知的曲面零件几何模型与曲面零件30的点云数据对齐，这样就不需要去处理曲面零件30的点云数据以获得曲面零件几何模型，而是直接采取已知的曲面零件几何模型能够增加曲面零件几何模型的准确度，也能够降低曲面重构的工作量，提高工作效率。

当然，在其他实施例中，也可以不需要导入已知的曲面零件几何模型，而是直接由曲面零件30的点云数据处理得到曲面零件几何模型，可以根据实际需要进行选择是采用已有的曲面零件几何模型还是用曲面零件30的点云数据生成曲面零件几何模型以确保得到的更为逼近实际曲面零件30的曲面零件几何模型。

本实施例中，参阅图3所示，所述步骤S32具体包括以下步骤：

S321：标记件40曲面重构：利用所述逆向软件对所述标记件40的点云数据进行曲面重构，并得到所述标记件40的几何模型；

S322：标记件40数据对齐：将所述标记件40的几何模型与所述标记件40的点云数据相对齐。

具体地，将处理好的标记件40的点云数据进行曲面重构，得到标记件40几何模型，并将标记件40几何模型与标记件40的点云数据进行对齐对比，以得到标记件40几何模型与标记件40的点云数据之间存在的误差。如果误差超过允许的误差范围，则通过逆向软件对标记件40几何模型的数据进行调整；如果误差在允许的误差范围内，直接导出曲面零件30与标记件40的几何模型；标记件40数据对齐的步骤能够增加标记件40几何模型的准确性。

本实施例中，在所述步骤S310中，对所述点云数据进行的预处理包括去除噪声点、去除冗余数据和过滤点云数据。具体地，在获取点云数据的过程中，不可避免地混有不合理的噪声点，这些噪声点会导致重构的曲线、曲面不光滑，除去了这些噪声点能够使得重建后的几何模型更加接近于标记件40的实际形状，从而得到更为准确的几何模型提高加工的精度。在获取点云数据的过程中，为了精确地获取曲面零件30的表面细节的同时也存在较多的冗余点云，大量的冗余数据会增加几何模型重建的难度，而去除冗余数据能够简化几何模型重建的难度和工作量。过滤掉一些点云数据中一些异常的数据，以获得较好的曲面重构效果。

进一步地，在步骤S310中，还包括对标记件40和曲面零件30进行二次采样和对点云数据进行数据排序、数据拼接、数据重组、特征提取和区域划分，然后对点云数据中的离散点进行三角剖分，形成过渡曲面模型数据，特征提取包括局部分离、逼近、光顺和拼合，三角剖分包括对点云数据进行三角曲面连续插值，并光顺、变形三角曲面，以获得更为精确地标记件40几何模型。

本实施例中，在所述步骤S320中，对所需要特征的点云数据进行曲面重构包括曲面拟合、平面拟合、曲线拟合、曲面拼接和特征造型。具体地，计算机对处理后的点云数据进行曲面重构以得到几何模型，其中曲面重构包括曲线拟合、曲面拟合、曲面拼接和特征造型，最终得到几何模型。

本实施例中，所述曲面拟合包括提取分离二次曲面，所述曲面拼接包括光滑拼接相邻曲面块、协调光顺全局曲面块。

本实施例中，在所述步骤S330中，把曲面模型与标记件40的几何模型以IGS格式或者STP格式导出。具体地，IGS格式或者STP格式是通用的格式，其具有较好的兼容性，能够导入不同的软件中，几何模型丢失的数据较少，即几何模型不会失真。

本实施例中，在所述步骤S400中，将所述曲面零件和所述标记件的几何模型导入所述数控机床10具体为：利用编程软件对所述曲面零件30与所述标记件40的几何模型进行编程生成代码程序，所述代码程序以g代码的格式导入所述数控机床10中以获得所述数控机床10的刀路轨迹。

本实施例中，所述三维扫描仪20位于所述数控机床10侧部，所述数控机床10上设有用于装载所述曲面零件30的工作平台11，所述工作平台11固定安装所述标记40件，所述三维扫描仪20包括摄像头21，且所述摄像头21正对所述工作平台11设置并用于获取位于所述工作平台11上的所述曲面零件30的点云数据和所述标记件40的点云数据。具体地，三维扫描仪20设于数控机床10的侧部，且三维扫描仪20与数控机床10之间不存在固定结构，有利于三维扫描仪20的移动以获得曲面零件30多角度的点云数据，便于操作，也能使得获得的点云数据更加准确。

如图4～5所示，本发明的实施例还提供一种基于逆向工程的曲面零件加工定位装置，其主要用于实现曲面零件数控加工定位方法。基于逆向工程的曲面零件加工定位装置包括数控机床10和位于所述数控机床10侧部的三维扫描仪20，所述数控机床10上设有用于装载曲面零件30的工作平台11，所述工作平台11上设有标记件40，所述三维扫描仪20包括摄像头21，且所述摄像头21正对所述工作平台11设置并用于获取位于所述工作平台11上的所述曲面零件30的点云数据和所述标记件40的点云数据。本发明的基于逆向工程的曲面零件加工定位装置，在具体使用时，先将曲面零件30固定于数控机床10上的工作平台11后，然后利用位于数控机床10的侧部且其摄像头21正对工作平台11的三维扫描仪20对曲面零件30和工作平台11的标记件40进行扫描，如此实现获取曲面零件30的点云数据和标记件40的点云数据，最后利用点云数据拟合出曲面零件30的几何图形和标记件40的几何图形，并以标记件40为几何图形的几何原点确定了曲面零件30的加工基准，那么即使需要加工的曲面零件30外部形状复杂，也可以有效地在数控加工中心找到针对该外部形状复杂的曲面零件30的加工基准。本发明的基于逆向工程的曲面零件加工定位装置，能够准确地找到曲面零件30的加工基准，并且无需专用的夹具，进而可以使得曲面零件30的制造成本大大降低。

进一步地，也可以将现有的曲面零件几何模型导入到点云数据中，并与曲面零件的点云数据对齐，然后只需将标记件的点云数据生成标记件几何模型，再将现有的曲面零件几何模型和标记件几何模型导入到数控机床中，这就减少了点云数据处理的工作量，且能够得到更为精准地曲面零件几何模型，从而到达提高加工精度的目的。

进一步地，参阅图4所示，工作平台11的上表面上开设有多条用于固定所述曲面零件30的竖向T型槽12。其中，T型槽12中卡接有多个滑动块(图未示)且滑动块凸出工作平台11的上表面。当曲面零件30安装于工作平台11上时，通过滑动不同的滑动块使得各滑动块的侧面分别与曲面零件30的不同部位相抵接，从而实现了曲面零件30的固定。同时T型槽12的数量为多个，能够使得滑动块卡接在不同的T型槽12中从而实现不同尺寸的曲面零件30的固定。

本实施例中，参阅图4所示，所述标记件40靠近所述工作平台11的边缘部设置。具体地，标记件40设置在工作平台11的边缘部，曲面零件30在安装在工作平台11上时，具有更大的安装空间，避免受到标记件40设置位置的干涉。

本实施例中，参阅图4所示，所述标记件40为方形块。具体地，方形块的结构简单且其表面由垂直相交平面构成一方面能够较容易地根据方形块的点云数据生成准确的方形块的几何图形，另一方面也能够根据方形块的垂直相交的表面生成准确的原点坐标系。总之，采用方形块作为标记件40能够准确地确定加床加工基准，避免因为加工基准引起曲面零件30的加工误差。

本实施例中，所述三维扫描仪20为双目三维扫描仪。具体地，双目三维扫描仪20结合了结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术，采用蓝光光栅扫描的方式，实现了点云数据的全自动拼接，因此双目三维扫描仪20具有高效率、高精度、高寿命、高解析度等优点，能够满足细节要求高的曲面零件30的扫描要求，同时能够得到曲面零件30准确的点云数据。

本实施例中，参阅图4所示，所述三维扫描仪20还包括支撑三角架22，所述摄像头21固定安装于所述支撑三角架22的上部。具体地，支撑三角架22能够可靠地支撑着摄像头21，避免摄像头21的晃动，从而影响扫描的点云数据的准确度。

本实施例中，参阅图5所示，所述支撑三角架22包括安装块221、连接组件222和三个支撑杆223，三个所述支撑杆223的顶端均与所述安装块221的底端连接，且三个所述支撑杆223呈辐射状倾斜设置，所述摄像头21通过所述连接组件222安装于所述安装块221的顶端。具体地，三个支撑杆223呈三角对搭状固定于安装块221的底端，安装块221的顶端通过连接组件222与摄像头21相连，由于三角支撑较为稳固，能够稳定地支撑摄像头21，且支撑杆223的结构简单、成本低、占用空间小，扩展了三维扫描仪20的适用范围。

进一步地，参阅图5所示，所述支撑三角架22还包括连接板224，连接板224顶端固定安装于安装块221的底端，连接板224上开设有三个用于容纳支撑杆223的顶端的容纳槽2241且支撑杆223能够在容纳槽2241内可上下摆动，容纳槽2241的侧面开设有贯穿容纳槽2241的第一固定孔2242，支撑杆223的顶端在第一固定孔2242的对应位置开设有第二固定孔2231，用固定螺钉225分别依次穿设第一固定孔2242和第二固定孔2231将支撑杆223固定于连接板224上。可以通过固定螺钉225的紧固和松开的作用，实现呈三角对搭状的支撑杆223的收拢和打开，也可实现支撑杆223的拆卸，便于支撑三角架22的收纳。

本实施例中，所述支撑杆223为可伸缩杆。具体地，支撑杆223的高度是可调节的，通过调节支撑杆223的高度从而调节摄像头21的高度，从而使得扫描仪能够针对不同尺寸的曲面零件30进行完整的扫描，避免出现曲面零件漏扫的情况。

本实施例中，参阅图5所示，所述连接组件222包括第一连接杆2221、第二连接杆2222和调整螺母2223，所述第二连接杆2222的底端与所述安装块221连接，所述第二连接杆2222的顶端穿设于所述调整螺母2223的螺纹孔且所述第二连接杆2222的顶端设有与所述调整螺母2223相适配的外螺纹，所述第一连接杆2221的底端设有与所述外螺纹相配合的内螺纹以使得所述第一连接杆2221与所述第二连接杆2222螺纹连接，所述摄像头21固定连接于所述第一连接杆2221的顶端。具体地，第二连接杆2222的顶端先穿过调整螺母2223，然后第二连接杆2222的顶端再与第一连接杆2221的顶端螺纹连接，通过第一连接杆2221与第二连接杆2222的螺纹连接可以实现调节固定于第一连接杆2221顶端的摄像头21的高度，同时可以通过旋转调整螺母2223使得调整螺母2223的上表面与第一连接杆2221的下表面相互抵接，避免第一连接杆2221与第二连接杆2222螺纹连接而出现松动的情况，确保了固定摄像头21的稳定性。

本实施例中，参阅图5所示，所述第二连接杆2222的底端设有固定于所述第二连接杆2222的铰接球2224，所述安装块221的内部设有与所述铰接球2224相配合的铰接槽2211，所述铰接球2224与所述铰接槽2211铰接以使得所述第二连接杆2222与所述安装块221相铰接。具体地，第二连接杆2222的顶端与安装块221通过铰接球2224与铰接槽2211相铰接，实现了第二连接杆2222与安装块221的可转动连接，即在不移动支撑杆223的情况下，实现了摄像头21的可转动，使得三维扫描仪20的使用更为方便，操作更为简单。

进一步地，参阅图5所示，安装块221上还开设有连通铰接槽2211的直槽2212，且直槽2212能够容纳第二连接杆2222顶部，通过第二连接杆2222在铰接槽2211的转动和在直槽2212中的上下转动能够实现摄像头21高度的调节和转动，增大了摄像头21可调节的角度和调节高度，增加了三维扫描仪20的扫描范围，能够适用于更多种类的曲面零件30。

本实施例中，参阅图5所示，所述支撑三角架22还包括紧固螺钉226，所述安装块221的侧面设有连通所述铰接槽2211且供所述紧固螺钉226穿设的紧固孔2213，所述紧固螺钉226穿设于所述紧固孔2213且所述紧固螺钉226的末端抵接于所述铰接球2224上。具体地，通过紧固螺钉226的末端抵接在铰接球2224上，能够固定住铰接球2224的，使得铰接球2224不能转动，从而固定摄像头21的扫描角度，确保了摄像头21在扫描时的稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。