自由曲面零件法向孔數(shù)控加工前置處理軟件開發(fā)

蔡漢錫，董 剛，史艷國 ，白 楊

(1燕山大學機械工程學院，河北秦皇島，066004，2沈陽市房地產(chǎn)信息中心，3中國機床總公司)

目前，CAD/CAM技術(shù)在我國尤其是中小企業(yè)應用并不廣泛，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益并不明顯，通用的CAD/CAM軟件(UG，Pro/E)都有CAM模塊，但是這些模塊并不一定適用所有的應用要求，因此針對特定的應用往往需要開發(fā)特定的提取法向孔加工信息前置處理CAM軟件。國內(nèi)CAD/CAM產(chǎn)業(yè)所需的套裝軟件常常動輒數(shù)百萬元甚至上千萬元，高昂的費用對于中小企業(yè)是非常沉重的負擔，而且套裝軟件中的功能有些根本用不到，但是軟件使用者卻必須花錢購買這些用不到的功能。如果能夠針對中小企業(yè)的需求構(gòu)建一個提取法向孔加工信息前置處理CAM軟件，并且在生產(chǎn)需求改變的時候才增加新的功能，將可以有效降低軟件成本［1］。為此，筆者開發(fā)擁有所開發(fā)系統(tǒng)的全部的知識產(chǎn)權(quán)，有利于針對中小型企業(yè)所生產(chǎn)產(chǎn)品的特點做進一步的開發(fā)，以期降低軟件成本和拓寬應用范圍。

1 軟件總體設計框架

針對中小企業(yè)對CAM軟件的功能應用簡單、具體等特定需求，筆者設計開發(fā)了合適的提取法向孔加工信息的前置處理CAM軟件(以下簡稱“本軟件”)。主要從應用程序的相關(guān)接口、IGES文件和OCC模型的映射、IGES讀取過程、IGES數(shù)據(jù)模型的三維重建等方面進行了闡述，接著介紹了從IGES曲面零件中提取法向孔加工信息的方法并最終通過軟件測試驗證了方案設計的合理性。圖1為本軟件的開發(fā)流程。

1.1 IGES 文件格式

三維造型文件標準為IGES標準，IGES標準定義了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的數(shù)字表達和交換的信息結(jié)構(gòu)，該規(guī)范用CAD/CAM領域中的數(shù)據(jù)交換［2～5］。它是為了表示幾何、拓撲和非幾何產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)而定義的一種格式規(guī)范。該規(guī)范還支持用電子通訊協(xié)議(在其他標準中定義的)或者是物理介質(zhì)所進行的數(shù)據(jù)的交換［6］。IGES標準描述了用于“產(chǎn)品”物理對象的基本工程特性的信息交換框架。這些特性描述了產(chǎn)品的形狀、尺寸、特征等信息，整個IGES文件共分為5個區(qū):起始區(qū)S，全局區(qū)G，目錄入口區(qū)D，參數(shù)區(qū)P，結(jié)束區(qū)T。S為注釋數(shù)據(jù)，G為描述全局特性，D為實體數(shù)據(jù)的索引，P為描述每一個實體的參數(shù)數(shù)據(jù)，T包含上面各段的數(shù)目信息。

1.2 IGES文件讀取和三維重建

CAD/CAM軟件一般是基于幾何內(nèi)核開發(fā)。例如，AutoCAD的系統(tǒng)內(nèi)核為ACIS;Pro/E，UG，Solid-Works和SolidEdge的內(nèi)核是parasolid。所謂的幾何內(nèi)核實際上是一個類庫，里面定義了圖形數(shù)據(jù)的存儲格式以及大量的圖形算法，Open CASCADE是一個開源碼的幾何內(nèi)核，正是因為Open CASCADE源代碼是完全免費開放的，所以本軟件開發(fā)選擇幾何內(nèi)核為Open CASCADE，該內(nèi)核可以查閱http://www.opencascade.org。本軟件讀取IGES自由曲面的結(jié)果如圖2所示。

2 法向孔加工信息相關(guān)實體介紹

介紹法向孔加工信息之前首先介紹IGES幾個重要的實體類型。

點實體:類型號為116，點(Point)由它在定義空間中的坐標來定義，表1是其參數(shù)區(qū)的數(shù)據(jù)［7］。

圓弧實體:類型號為110，圓弧(Circular Arc)是不同的始點和終點的圓的連接部分。通常選擇定義空間坐標系，使該圓弧所在平面與XT，YT平面平行或重合。表2是其參數(shù)區(qū)的數(shù)據(jù)。

變換矩陣實體:類型號為124，變換矩陣實體(Transformation Matrix Entity)是通過一個矩陣乘法，然后是一個矢量的加法來變換三行的列矢量，表3是其參數(shù)區(qū)的數(shù)據(jù)。

圖1 自由曲面零件法向孔數(shù)控加工前置處理CAM軟件的開發(fā)流程

圖2 IGES自由曲面文件

表1 IGES文件中點實體參數(shù)數(shù)據(jù)

表2 IGES文件中圓弧實體參數(shù)數(shù)據(jù)

表3 IGES文件中變換矩陣實體參數(shù)數(shù)據(jù)

3 法向孔加工信息計算

使用C語言將IGES文件打開后提取出點實體116，圓弧實體110，變換矩陣實體124，提取出相關(guān)數(shù)據(jù)。由116實體數(shù)據(jù)可以得到法向孔中心的坐標，有110實體數(shù)據(jù)可以得到法向孔直徑的大小，由110實體數(shù)據(jù)和124實體數(shù)據(jù)可以得到法向孔的方向向量。從IGES曲面零件中提取法向孔加工信息的求解方法如下:

根據(jù)上述公式可以求出法向孔的加工信息，然后再結(jié)合五軸加工和機床的相關(guān)規(guī)則可自動生成數(shù)控加工的刀具軌跡，刀軌文件中包含切削點刀心數(shù)據(jù)的GOTO語句，還有控制機床的其他指令信息［8］。這些刀軌文件不能直接驅(qū)動機床，首先需要將刀軌文件進行后處理，使之符合某一個機床/控制系統(tǒng)的要求，進而驅(qū)動數(shù)控機床自動進行曲面零件法向孔的加工。

4 軟件功能測試

首先，通過UG4.0做一個帶有法向孔的曲面零件名為file1.prt，然后利用UG4.0的前置處理器將file1.prt轉(zhuǎn)換為file1.igs作為本次的實驗文件。在UG4.0中打開該文件如圖3所示。

用本軟件讀取并重建上述三維造型文件結(jié)果如圖4所示。

圖3 UG4.0下的file1.igs

圖4 本軟件讀取file1.igs

圖3所示的工件的法向孔的加工刀具軌跡文件如下:

將刀具軌跡文件按照特定的數(shù)控機床進行后置處理就能生成NC代碼，進而驅(qū)動數(shù)控機床對該零件上的法向孔進行加工。

5 總 結(jié)

本次開發(fā)是針對中小企業(yè)的需求，構(gòu)建了一個提取法向孔加工信息前置處理CAM軟件。提出了從IGES曲面零件中提取法向孔加工信息的方法并生成刀軌文件，最終通過軟件測試驗證了方案設計的合理性。本次研究和開發(fā)能很大程度上提高CAM軟件在中小企業(yè)的的普及率。

［1］ 杜學文，曾盛綽，廖小平，等.數(shù)控CAD/CAM技術(shù)的開發(fā)和應用［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2004，17(3):80-84.

［2］ 王清華.基于IGES的NURBS曲面在線檢測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.武漢:武漢理工大學，2012:23-26.

［3］ 張毅.IGES圖形瀏覽器的研究與實現(xiàn)［D］.西安:西安建筑科技大學，2009:1-5.

［4］ 孫偉寧.三維圖形瀏覽系統(tǒng)IGES后處理器的研究與實現(xiàn)［D］.杭州:浙江大學，2002:1-9.

［5］ IGES Organization，Initial Graphics Exchange specification［M］.Version5 X，NewYork:ISO，1999.

［6］ DAI Baisheng，QIAO Jinyou.Research on STEP-based 3D Model Reconstruction and Feature Recognition［C］//MACE，2010.

［7］ 黃堪豐，張平，簡啟廉.基于NURBS曲線的五軸聯(lián)動數(shù)控插補算法研究［J］.機床與液壓，2009，37(10):54-57，29.

［8］ 莊朱協(xié)，王煒，嚴岳剛.基于加速度雙曲線的五軸聯(lián)動NURBS曲線插補算法［J］.機械設計與制造，2010(2):39-41.

(責任編輯:朱寶昌)