复杂曲面加工技术的研究现状与发展趋势_周志雄

第46卷第17期2010年9月机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.46No.17Sep.2010DOI：10.3901/JME.2010.17.105复杂曲面加工技术的研究现状与发展趋势*周志雄1周秦源1,2任莹晖1(1．湖南大学机械与运载工程学院长沙410082；2．张家界航空工业职业技术学院张家界427000)摘要：随着高新技术的发展，复杂曲面的应用也越来越广泛，其应用主要取决于两个方面：一方面是力学特性和功能的需要，使设备满足特定的性能要求，这就要求产品形面达到高精度的数学特征；另一方面是外观美学效果的需要，满足人们对产品外形的需求。复杂曲面的发展和实现，又取决于复杂曲面的设计技术和制造技术。从3个方面分别阐述它们的研究现状与发展趋势：复杂曲面设计技术，如曲面造型设计技术、反求技术；复杂曲面加工技术，如光学自由曲面加工技术、复杂刀具加工技术；复杂曲面加工设备，如功能部件、控制系统等。指出复杂曲面设计技术、加工技术及加工设备发展存在的主要问题，对其发展趋势进行科学预测。关键词：复杂曲面设计加工装备现状趋势中图分类号：TH161CurrentResearchandDevelopmentTrendsofComplexSurfaceMachiningTechnologyZHOUZhixiong1ZHOUQinyuan1,2RENYinghui1(1.CollegeofMechanical&VehicleEngineering,HunanUniversity,Changsha410082;2.ZhangjiajieAeronauticalIndustrialVocationalandTechnicalCollege,Zhangjiajie427000)Abstract：Withthedevelopmentofhigh-tech,applicationsofcomplexsurfacearemoreandmoreextensive.Itsapplicationsprimarilydependontwoaspects:ontheonehand,requirementsofmechanicalproperties,functionsanddeviceswithspecificperformance,whichrequiresproductstoachievehigh-precisionmathematicalcharacteristics;ontheotherhand,itistheneedforaestheticappearancetomeetthedemandforproduct.Developmentandimplementationofcomplexsurfacedependoncomplexsurfacedesignandmanufacturingtechnologies.Threeaspectsonresearchanddevelopmenttrendsaredescribed:Designtechnologyofcomplexsurface,suchassurfacemodelingandreverseengineering;machiningtechnologyofcomplexsurface,suchasopticalfree-formsurfacesandcomplexmachining;machiningequipmentofcomplexsurface,suchasfunctionpartsandcontrolsystem.Themainproblemsinthedevelopmentofcomplexsurfacedesigntechniques,processingtechnologyandmachiningequipmentarepointedout,andtheirdevelopmenttrendisforecasted.Keywords：ComplexcurvesurfaceDesignMachiningEquipmentCurrentresearchTrend0前言*随着全球经济的发展，市场竞争日趋激烈，新的技术革命不断取得进展和突破，技术的飞跃发展己经成为推动世界经济增长的重要因素。为了保持和加强产品在市场上的竞争力，产品的开发周期、生产周期越来越短，促使工业产品越来越向多品种、小批量、高质量、低成本的方向发展，具有复杂曲*国家科技重大专项资助项目(2009ZX04012-031)。20100223收到初稿，20100419收到修改稿面的产品越来越多，广泛应用于模具、工具、能源、交通、航空航天、航海等领域[1]。复杂曲面的复杂性主要体现在：许多边缘学科、高科技产品领域对产品涉及的曲面造型有很高的精度要求，以达到某些数学特征的高精度为目的；现代社会中，人们在注重产品功能的同时，对产品的外观造型提出了越来越高的要求，以追求美学效果或功能要求为目的。因此，进一步提高复杂曲面的设计和加工水平成了国内外竞相研究的焦点。近年来，随着计算机技术、自动控制技术的发展，数控技术[2]有效地应用于曲面加工中，特别是机械工程学报第46卷第17期期106多轴数控加工技术在复杂曲面加工中的广泛应用，复杂曲面加工技术有了突破性发展，出现了激光开槽、快速原型制造和快速工装等新加工方法[3-5]。我国在复杂曲面的加工技术方面取得了不少成果。但是，与世界先进水平相比还有较大的差距。因此，研究其国内外的研究现状和发展趋势，对我国机械设计与制造水平的提高具有重要的理论意义和实用价值。本文论述了复杂曲面设计与加工技术(曲面造型、反求技术、光学自由曲面加工技术、复杂刀具的设计与制造技术)和复杂曲面加工设备的研究现状，指出了复杂曲面加工技术领域存在的问题，对其领域发展趋势进行了科学预测。1复杂曲面设计与加工技术的发展1.1复杂曲面造型技术的发展及现状复杂曲面造型技术是计算机辅助设计和计算机图形学(Computergraphics,CG)中最为活跃、同时也是最为关键的学科分支之一，它随着CAD/CAM技术的发展而不断完善，渐趋成熟。它主要研究在计算机图像系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析，肇源于飞机、船舶的外形放样工艺，由Coons、Bézier等于20世纪60年代奠定理论基础。经几十年的发展，现在它已经形成了以Bézier和B样条方法[6]为代表的参数化特征设计和隐式代数曲面表示方法为主体，以插值、拟合、逼近这三种手段为骨架的几何理论体系。非有理与有理曲线曲面形式和非有理的B样条曲线曲面形式都被统一在NURBS形式之中[7-9]。国际标准化组织于1991年颁布了关于工业产品数据交换的STEP国际标准，将NURBS方法作为定义工业产品几何形状的唯一数学描述方法，从而使NURBS方法成为曲面造型技术发展趋势中最重要的基础。我国学者在曲面造型技术方面取得了显著的成绩，如复旦大学对参数曲线分类及形状控制和多元散乱资料逼近拟合的研究[10-11]，中国科技大学对Bézier曲面凸性条件和隐式曲面算法的研究[12]，浙江大学对曲面几何连续拼接理论和曲面几何逼近方法的研究[13]，这些学术成就已在国际计算机图形界占有重要的一席之地。从研究领域来看，曲面造型技术已从传统的曲面表示、曲面求交和曲面拼接，扩充到曲面变形、曲面重建、曲面简化、曲面转换和曲面等距性[14]。此外，随着工业生产的发展和需要，其他学科的技术方法被引进到计算机图形学中来，形成一种融合的趋势，出现了许多新造型方法的研究：如基于物理模型优化的曲面造型方法[15-17]、基于力密度方法的曲线曲面的造型方法[18]、基于偏微分方程的曲面造型方法[19-20]、小波曲线曲面的造型方法[21-22]、流曲线曲面造型方法[23]、基于移动最小二乘近似的曲面造型方法[24-25]等。1.2复杂曲面反求技术的发展和现状随着计算机、数控和激光测量技术的飞速发展，反求技术不再是对己有产品进行简单的“复制”，其内涵与外延都发生了深刻变化，成为家电、汽车、玩具、轻工、建筑、医疗、航空、航天、兵器等行业最重要的产品设计方法之一，是工程技术人员通过实物样件、图样等快速获取工程设计概念和设计模型的重要手段。复杂曲面反求技术是20世纪80年代初分别由美国明尼苏达采矿制造公司、日本名古屋工业研究所以及美国思博明仪器设备有限公司提出并研制开发成功的。在越来越剧烈的市场竞争中，先进工业国家加大力度研究此项技术，例如美国华盛顿大学解决了数据预处理并提出了多视区测量数据的处理问题，澳大利亚大学、新加坡国立大学和英国曼彻斯特大学等研究了指定区域内的动态测量点计算[26-30]。同时，还涌现出一批复杂曲面反求技术的商用软件，如美国电子数据系统公司产品Surfacer、英国Delcam公司产品CopyCAD、英国MDTV公司的STRIMandSurfaceReconstruction、英国Renishaw公司的TRACE等。在我国，复杂曲面反求技术是20世纪90年代后期才迅速发展和推广的。目前，已有一些高等学校和企业正致力于这方面的研究。如浙江大学、西北工业大学、南京航空航天大学、西安交通大学、清华大学、上海交通大学、华中科技大学等先后开展了复杂曲面反求工程CAD问题的研究。浙江大学研制开发了基于三角曲面初始表达的复杂曲面反求工程软件RE-SOFT。此外，复杂曲面反求技术在我国企业也有一定的应用，如珠海模具中心、东风汽车公司、天津大学内燃机研究所、浙江大学和湖南大学等运用反求技术进行新产品的开发与研制。在商用软件方面，主要有西安交通大学、清华大学和华中科技大学等在开展反求工程设备和软件的研发。1.3光学自由曲面加工技术的发展加工高精度复杂曲面光学零件代表了超精密加工技术的最高水平。由于对光学自由曲面零件的形状精度要求达到微米、亚微米级，表面粗糙度达到纳米、亚纳米级，必然使得光学自由曲面加工的复杂程度远比传统球面和非球面要高得多。但是，月2010年9月周志雄等：复杂曲面加工技术的研究现状与发展趋势107由于光学自由曲面零件在工业上应用广泛，使得其成为复杂曲面加工技术的重要研究领域[31]。由于曲面光学零件属于难加工的硬脆材料，且自由曲面有较大的曲率变化和多变的曲率中心，该领域除了采用超精密磨削、研磨及抛光技术外，还多采用计算机控制光学表面成形(Computercontrolledopticalsurfacing,CCOS)等技术实现光学自由曲面的加工。国内外学者对各种硬脆材料的磨削机理、加工工艺、加工设备、磨削力、磨削热、砂轮磨损等问题进行了广泛而深入的研究，相继研发出了高速磨削、缓进给磨削、镜面磨削、恒压力磨削和延性域磨削等高效磨削工艺[32]，对光学自由曲面加工需要多轴联动的超精密数控机床，例如，美国摩尔公司的超精密五轴数控车床Nanotech500FG，Precitech公司的Freeform700A超精密五轴机床等采用单点金刚石车削或铣削等加工技术实现自由曲面的加工。天津大学微纳制造技术工程中心成功开发出广泛应用于医疗、通信、光学成像、生物及传感器领域的复眼结构、螺旋透镜、立方相位片及非球面透镜陈列等。1.4复杂刀具的设计与制造技术的发展由于产品结构形状、加工精度、加工效率和耐用度等要求，使加工刀具应具有高精度的复杂曲面。刀具是机械制造中的基础件，应用极为广泛，所以复杂曲面刀具本身的设计与制造成为复杂曲面加工技术的一个极其重要的研究领域。国外一些公司基于各行业对刀具的需求，深入系统开展了对可转位刀具、多功能复合刀具、高速切削刀具和钻削、镗削刀具等复杂曲面刀具的研究。例如，三菱株式会社针对重型铣削高效加工的要求，推出了SPX系列波形刃直角立铣刀(图1a)。此系列采用的波形切削刃铣刀片，使得刀片在切入和切出工件时能降低刀具与工件的冲击，并能有效分断切屑，实现在重切削、大切削深度铣削加工中获得稳定的低切削力。伊斯卡公司推出的FINISHRED精加工波形刃立铣刀(图1b)