本文研究了自由曲面模型在CNC系統中建模的相關內容。

　　在分析現有的曲面模型不利于進行CNC加工的基礎上，建立了一種面向CNC加工的自由曲面模型，介紹了該曲面模型的基本要求并闡明了建立的措施和方法。

　　Establishment of a sculptured surfaces model for CNC

　　Wu Guanglin　Li Congxin　Ruan Xueyu

　　Abstract　A sculptured surfaces model for CNC is established on the basis of analyse of the reason that the cansual one is disadvantageous for its machining in CNC system.Its requirement is introduced and its establishing mothod is clarified.

　　Key word：CNC;sculptures surface model;modelling

　　1　引言

　　隨著CAD/CAM等技術的日益成熟和完善，作為CAM的核心技術CNC得到了迅猛的發展。但當今CNC的發展也遇到了一些問題，其中之一便是適合CNC加工的曲面模型的建立。目前的CNC系統大都使用CAD曲面造型系統中的曲面模型，由于CAD的曲面造型系統發展已比較成熟，其曲面模型的發展也比較完善，能夠比較令人滿意地表達曲面的幾何信息，但由于歷史上CAD和CAM相對獨立的發展使這些在CAD系統中使用的純幾何數據的曲面模型在CNC系統中的應用卻遇到了困難。因為這些包含完善幾何信息的曲面模型卻缺少CNC加工中所不可缺少的非幾何信息，如曲面材料的特性，加工精度的要求和控制信息等。這樣，怎樣妥善地解決這一問題使CNC能方便地從曲面模型中獲取充分的信息是發展CNC急需解決的問題之一。

　　目前，從總體上來說有兩大類解決方法。一是完善現有CAD和CAM之間的集成;二是直接建立面向CNC加工的曲面模型。第一種方法目前研究較多，比較常用和理想的是基于特征的產品建模方法，即用特征來構造產品模型，并以此模型為基礎實現CAD和CAM數據交換和共享以實現二者的集成。但由于現在社會產品的異常豐富，建立準確和完善的產品的特征比較困難，很難包含各領域的應用，更無法協調各特征集的集成，所以此方法的應用受到限制，主要針對一些具體的應用而采取相應的產品特征進行特征建模。相對于第一種方法，由于用于建立產品曲面模型的種類比產品本身的種類少得多，故第二種方法可以建立比較通用的CNC曲面模型，該方法目前研究相對較少。本文采用第二種方法，即直接建立面向CNC加工的曲面模型，將CNC加工時所需要的信息融入曲面模型，從根本上解決傳統CAD曲面模型不能給CNC系統提供充分信息的缺點，為該方法的最后完善做一些探索性的研究。

　　2　面向CNC系統曲面模型的要求

　　作為面向CNC系統的曲面模型，必須滿足以下基本的要求。

　　1)豐富的曲面表達和造型能力　和傳統的CAD曲面模型一樣，面向CNC系統的曲面模型也必須能夠完善地表達曲面的幾何信息并能方便地進行造型。因為CNC系統加工的對象是形形色色的社會產品，所以作為面向CNC系統的曲面模型首先必須具有表達各種各樣產品形狀并方便地進行生成、修改等造型的能力。

　　2)能夠提供CNC加工時所需的控制信息　這是面向CNC系統的曲面模型的關鍵要求，也是其區別傳統的CAD曲面模型的根本所在。如前文所述，傳統的CAD曲面模型雖然能夠提供完善的幾何信息，卻不能提供CNC加工所必需的控制信息。因此，面向CNC系統的曲面模型必須包含充分的控制信息，如曲面材料的性質，曲面加工的精度，曲面表面要求的質量，曲面在加工零件中的拓撲信息等，以滿足CNC系統能按既定的要求對曲面進行加工。

　　3)提供的信息能方便地被CNC系統所提取　作為面向CNC系統的曲面模型，這一要求是無庸置疑的。因為建立面向CNC系統的曲面模型的目的就是能方便地為CNC系統提供需要的加工信息，所以，包含的信息不能被CNC系統方便地提取的曲面模型再完美也不是好的面向CNC系統的曲面模型。

　　3　自由曲面模型的建立

　　3.1　建立自由曲面模型的途徑

　　為了滿足上面提出的要求，我們用以下幾方面的措施來建立面向CNC系統的自由曲面模型：

　　1)用三次B樣條曲面模型在面向CNC系統的自由曲面模型中表達曲面形狀幾何信息　我們知道，三次B樣條曲面具有一系列優良的特性。主要包括：幾何不變性，即曲面的表達形式不因所取坐標系的不同而變化;適中的光滑性，在每一曲面片內具有任意階連續，片間在兩個參數方向具有二階連續;凸包性，該曲面恒位于它的控制頂點的凸包內;逼近性，若控制頂點逐漸加密，曲面將逐漸逼近控制頂點;局部修改性，即若改變某一控制頂點，曲面只在某局部區域發生變化。正是基于以上一系列優良的特性使得它幾乎能比較理想地表達任意類型的自由曲面，在目前的CAD曲面造型系統中得到廣泛的應用。所以我們也選擇三次B樣條曲面來表達曲面形狀幾何信息，以滿足面向CNC系統的曲面模型必須能夠表達CNC系統所加工的各種曲面的形狀幾何信息的需要。

　　2)將CNC系統中所需要的加工信息融入面向CNC系統的自由曲面模型　為了提供CNC系統加工時所需的控制信息，我們采取在面向CNC系統的自由曲面模型中融入必須的控制信息。這些控制信息主要包括：曲面材料的特性信息，比如材料的剛度、強度、硬度、可切削性等;精度控制信息，即加工后產品所要達到的精度;表面粗糙度信息，即加工所要達到的表面質量要求;曲面的拓撲信息，即該曲面在具體產品中的位置。所有這些控制信息都是CNC系統進行加工時所必需的，不同的控制信息將對加工工藝的選擇產生重要的影響。

　　3)在面向CNC系統的自由曲面模型中增加提取各種信息的接口　目前，在前述的CAD和CAM的集成中，主要有以下幾種方法進行CAD和CAM之間的信息傳遞：特征的自動識別方法、特征設計的方法以及數據交換的方法。為了使CNC系統能方便地從面向CNC系統的自由曲面模型中獲取各種信息，我們采取在該曲面模型內部建立提取信息的接口函數。這樣，CNC系統就可通過這些接口函數直接提取所需的信息，從而自然實現信息交換的目的。

　　4)引入C++類的概念將面向CNC系統的自由曲面模型的信息進行封裝　隨著網絡技術的日益發展，CNC系統中網絡技術的使用將成為現代化生產中一股潮流。這樣，在一個CNC網絡系統中，將會出現多臺CNC機床同時使用同一曲面模型，這將對曲面模型的信息的安全產生危脅。為了曲面模型中信息的安全，我們將面向CNC系統的自由曲面模型的信息進行封裝，使CNC系統只有通過曲面模型本身所帶的接口函數才能對曲面模型中信息進行操作，這樣，同一網絡的CNC機床就可以安全地共享曲面模型中的信息。

　　3.2　自由曲面模型的建立

　　基于上面的分析，我們用C++語言建立了下面的面向CNC系統的自由曲面模型的基類：

　　struct material∥材料特性

　　{ float hardness;∥硬度

　　float intensity;∥強度

　　float rigidity;∥剛度

　　float performance;切削性 ｝

　　struct point∥控制頂點結構

　　{ float x;∥x坐標

　　floatvy;∥y坐標

　　float z;∥z坐標 ｝

　　class ssfcnc∥面向CNC的自由曲面模型

　　{ private:

　　point* shape;∥幾何形狀信息

　　struct material materials;∥材料性能信息

　　float precision;∥精度信息

　　float roughness;∥表面質量信息

　　char position;∥拓撲信息

　　public:

　　ssfcnc(point?shape0,struct material

　　materials0,float precision0,float

　　roughness0,char position0)

　　∥基類構造函數

　　{ shape=shape0;

　　materials=materials0;

　　precision=precision0;

　　roughness=roughness0;

　　position=position0; ｝

　　∥下面為提取信息的接口函數

　　point? getshape()

　　{　return shape;　｝

　　struct material getmaterials()

　　{　return material; ｝

　　float getprecision()

　　{　return precision;　｝

　　float getroughness()

　　{ return roughness; ｝

　　char getposition()

　　{　return position;　｝

　　～ssfcnd(){｝∥析構函數　｝

　　以上構造了該曲面模型的基類，提供了進行CNC系統加工時所需的基本控制信息，若加工的曲面需要特殊的信息，比如曲面只允許在某一方向留下加工刀痕等，用戶只需用C++的繼承功能派生出新類，加入所需信息，并重寫構造函數和相應的接口即可。

　　4　結論

　　本文提出的模型能表達CNC系統所加工的各種曲面的形狀幾何信息，提供了CNC系統加工所需的各種控制信息，而且其提供的信息能被CNC系統方便地提取，以及它具備一定的安全措施使得它的信息可以安全地被多個CNC系統共享。因此，它能很好地滿足當前CNC系統的需要，并將有力地促進CNC系統的發展。當然，該曲面模型的建立還處于探索階段，它的進一步完善還有待于以后的繼續深入研究。