三維人臉逆向造型及數(shù)控加工仿真

張紅靜，惠延波，馮蘭芳，馬艷平

（河南工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，鄭州 450007）

0 引言

為了適應(yīng)現(xiàn)代先進制造技術(shù)的發(fā)展，須將實物樣件或手工模型轉(zhuǎn)化為CAD數(shù)據(jù)，以便利用快速成型系統(tǒng)（RP）、計算機輔助制造系統(tǒng)（CAM）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）等先進技術(shù)對其進行處理和管理，并進一步修改和再優(yōu)化設(shè)計。逆向工程就專門為制造業(yè)提供了一個全新、高效的重構(gòu)手段，實現(xiàn)從實物到幾何模型的直接轉(zhuǎn)換 。隨著逆向技術(shù)的發(fā)展，它已成為設(shè)計和制造的重要手段，應(yīng)用逆向技術(shù)對人臉造型和數(shù)控加工以獲得人臉原型有著重要的意義，人臉模型在醫(yī)學(xué)整形、公安安全、虛擬技術(shù)、人體藝術(shù)、考古等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。以真實人臉為例，進行逆向造型并數(shù)控加工仿真，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集、造型到制造全過程，完成人臉數(shù)據(jù)獲取、幾何造型、刀具路徑生成、加工模擬仿真，最終完成人臉模型的數(shù)控加工。

1 人臉三維逆向造型

1.1 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)獲取是人臉逆向CAD造型的首要環(huán)節(jié)，是進行數(shù)據(jù)處理、模型重構(gòu)的基礎(chǔ)。在對人臉原型的測量中，采用具有非接觸特性的3DSS（Three Dimensional Sensing System）結(jié)構(gòu)光學(xué)測量裝置進行人臉原型的數(shù)據(jù)采集。其基本測量原理是使用光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的一組光柵到待測人臉上，成一定夾角的兩個攝像頭同步采集相應(yīng)結(jié)構(gòu)光條紋的變形圖像，然后對圖像進行解碼和相位計算，并利用匹配技術(shù)、三角形測量原理,解算出兩個攝像機公共視區(qū)內(nèi)物體表面像素點的三維坐標。利用3DSS掃描裝置將其測得的點云數(shù)據(jù)分別以二進制(ASC)數(shù)據(jù)格式保存到測量項目中，為后面的數(shù)據(jù)預(yù)處理和曲面重構(gòu)作準備。

1.2 幾何造型

由于測量方法和實時測量環(huán)境的變化影響，以及測量設(shè)備的某些局限性，測得的點云數(shù)據(jù)引入了誤差，所以要對原始點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括去除異常噪聲數(shù)據(jù)、壓縮冗余數(shù)據(jù)、補齊遺失點、對多次測量所得數(shù)據(jù)進行對齊定位等。利用逆向工程軟件Geomagic分別從質(zhì)量與數(shù)量上對點云進行去除無關(guān)點和噪聲點處理，可以手動刪除或者利用軟件的自動選擇功能刪除無關(guān)點和跳動點。在保證測量數(shù)據(jù)完整性、正確性和一定精度的前提下還需精簡數(shù)據(jù)量，以最少的點來表達人臉表面信息，為后續(xù)的造型工作做準備。

人臉的曲面模型重建是最關(guān)鍵的一環(huán)，通?？梢岳萌乔嫫ㄔ谌蔷W(wǎng)格上構(gòu)造 連續(xù)的Bernstein-Bézier曲面 ，從而達到建立人臉曲面的目的。由于被測人臉部分遮擋效應(yīng)，構(gòu)造的人臉曲面存在數(shù)據(jù)缺損，耳朵、眼、嘴、下巴等都有數(shù)據(jù)缺失，需要通過數(shù)據(jù)插補的方法補齊缺失數(shù)據(jù)，基于曲率進行填補破洞。而后轉(zhuǎn)換模型到NURBS曲面以便輸出到CAD或CAM系統(tǒng)，曲面以STEP、STP格式輸出保存。

加工人臉模型，要在專業(yè)的CAD/CAM軟件中造型，以期得到能夠制造加工的人臉實體模型。采用軟件Pro/E進行CAD造型以及CAM加工，用Pro/E直接讀取剛保存的STP格式文件，保證坐標系一致，或者重新調(diào)整坐標系，以使三坐標最直觀的表示人臉的正面、側(cè)面、頂面。本文采用三軸銑床做數(shù)控加工仿真，加工范圍有限，應(yīng)把人臉正面造型，切除偏后的耳朵部分。然后填充、合并、實體化，并增加底面以便夾具加持，如圖1為人臉NURBS曲面圖和CAD人臉造型圖。

圖1 人臉NURBS曲面圖和CAD人臉造型圖

2 數(shù)控加工仿真

加工人臉模型是由數(shù)控加工程序來完成的，加工程序的正確與否直接決定著加工質(zhì)量。因此，要針對加工過程進行仿真，在計算機上利用三維圖形技術(shù)對數(shù)控加工過程模擬仿真，可以快速、安全和有效地對NC程序的正確性進行較準確的評估，并可以根據(jù)仿真結(jié)果對NC程序迅速地進行修改，降低材料的消耗和生產(chǎn)成本，提高工作效率 。Pro/E的NC部分是功能強大的自動化CAM加工模塊，其附帶的VERICUT仿真軟件可對加工中工件余量去除過程作真實感動態(tài)顯示。操作流程如圖2所示。參考模型和工件裝配在一起就是要加工的制造模型，首先設(shè)定加工操作環(huán)境，包括機床、刀具、夾具和加工坐標系的設(shè)定；然后進行NC序列操作，建立加工類型，設(shè)置工藝參數(shù)，選擇加工區(qū)域或建立銑削窗口以及設(shè)置退刀平面，最后通過后置處理產(chǎn)生用于指定數(shù)控機床所需的數(shù)控程序，以實現(xiàn)人臉模型的數(shù)控加工仿真。

圖2 Pro／E加工操縱流程

2.1 制造參數(shù)的選定

加工人臉曲面時，為了保證刀具切削刃與加工輪廓在切削點相切，而避免切削刃與工件輪廓發(fā)生干涉，采用球頭刀，粗加工用兩刃銑刀，半精加工和精加工用四刃銑刀 。主軸轉(zhuǎn)速一般根據(jù)切削速度來計算，n=1000vc/πd，式中d為刀具直徑（mm），vc為切削速度（m/min）。當加工精度和表面粗糙度要求較高時，應(yīng)選擇較低的進給量；刀具切入進給速度應(yīng)小于切削進給速度。粗加工是以快速切除毛坯余量為目的，應(yīng)選用大的進給量和大的切削深度，以便在較短的時間內(nèi)切除盡可能多的切屑。精加工時主要考慮工件表面粗糙度而不是切屑多少，常采用小的背吃刀量，根據(jù)以上原則擬定主要制造參數(shù)如表1所示。

表1 主要制造參數(shù)

2.2 加工仿真與生成CL文件

每一階段的加工都要進行NC序列演示軌跡，即進行刀具軌跡顯示驗證，是將刀具軌跡用線框圖顯示出來，從而判斷刀具軌跡是否連接，檢查刀位計算是否正確，校驗走刀路線、進退刀方式是否合理等。NC檢測階段采用VERICUT軟件進行刀具軌跡動態(tài)圖形仿真的驗證，將加工過程中的人臉實體模型、刀具實體、切削加工后的表面加工結(jié)果，采用不同的顏色顯示出來和動畫方式模擬刀具實際切削的加工過程。為方便觀察，已切削加工表面與待切削加工表面采用不同顏色表示?？梢郧宄乜吹降毒吣M切削零件的過程，判斷是否啃切加工表面，是否與約束面發(fā)生干涉與碰撞等現(xiàn)象 。如圖3 pro/E NC精加工刀具軌跡線框圖和 VERICUT刀具軌跡動態(tài)圖形仿真。

圖3 pro/E NC精加工刀具軌跡線框圖 和 VERICUT刀具軌跡動態(tài)圖形仿真

不同機床控制系統(tǒng)也有細節(jié)上的不同，對于要生成的數(shù)控程序，需要進入到NC后處理器中進行處理 。將前置計算的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成機床各軸運動數(shù)據(jù)，并按其指令格式進行編碼，成為數(shù)控機床的加工程序，程序保存格式為tap文件。如選用UNCX01.P01即HAAS CONTROL my后處理器，人臉精加工生成部分G代碼如下：

3 結(jié)束語

采用逆向工程技術(shù)對真實人臉進行三維建模和造型，能夠逼真的體現(xiàn)人臉自由曲面。而自由曲面加工是—個較為復(fù)雜，難度較大的過程，采用了Pro／E軟件系統(tǒng)進行CAM設(shè)計，并生成人臉模型數(shù)控加工程序，通過pro/NC的刀具軌跡線框仿真和VERICUT刀具軌跡動態(tài)圖形仿真，可以快速、直觀地觀察到人臉模型加工過程，及時發(fā)現(xiàn)加工過程中存在的問題，便于及時作出修改，以提高三維人臉造型的精度和制造效率。

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