基于 CAM技術(shù)的花瓣型曲面的自動(dòng)編程加工

單健君　顧麗敏

采用 MasterCAM X6在 FANUC數(shù)控加工中心上進(jìn)行花瓣形曲面加工的方法，包括花瓣形曲面的 CAD建模及CAM仿真加工，在 CAM仿真加工時(shí)選取三種不同的曲面加工指令生成相應(yīng)的刀軌路徑及 G代碼，實(shí)現(xiàn)曲面的實(shí)際加工。對(duì)比實(shí)際加工時(shí)間和加工精度，選擇最佳加工方法。此方法可以推廣至類似復(fù)雜曲面的數(shù)控加工中，提高曲面的加工精度和效率。

一、引言

隨著市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品造型外觀要求的逐步提高，針對(duì)自由曲面的數(shù)控加工場(chǎng)合越來越多，然而傳統(tǒng)的編程加工方法已經(jīng)滯后于現(xiàn)代生產(chǎn)的需求，因此高精度高效率的自由曲面加工已經(jīng)成為當(dāng)今制造企業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的核心技術(shù)?；?CAD/CAM的新型自動(dòng)編程加工技術(shù)正在全球范圍內(nèi)發(fā)展并盛行，自動(dòng)編程加工方法采用逆向工程技術(shù)，即首先采用高精度的數(shù)字化測(cè)量方法對(duì)已存在的實(shí)物零件或模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并應(yīng)用 CAM軟件重構(gòu)零件的 CAD模型后進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析，通過 CAM軟件中的系統(tǒng)仿真功能加工出實(shí)際產(chǎn)品，再對(duì)加工出的產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)、修改和創(chuàng)新，如對(duì)結(jié)果不滿意，可重新進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工和檢驗(yàn)，直到滿意的過程。

采用 MasterCAM X6軟件對(duì)花瓣形曲面進(jìn)行 CAD建模及 CAM自動(dòng)編程加工的方法，重點(diǎn)分析了曲面建模和加工過程中的難點(diǎn)及解決的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合 FANUC系統(tǒng)的數(shù)控加工中心最終實(shí)現(xiàn)了曲面的實(shí)際加工，該技術(shù)為復(fù)雜曲面的數(shù)控加工提供了參考依據(jù)，以達(dá)到提高復(fù)雜自由曲面加工精度和效率益的目的，提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

二、花瓣型曲面的 CAD建模

1.花瓣型曲面的空間線框構(gòu)造

使用 MasterCAM軟件進(jìn)行花瓣曲面的 CAD建模設(shè)計(jì)時(shí)，主要任務(wù)是構(gòu)造出成型零件上需要進(jìn)行數(shù)控銑削加工的特征曲面，因此曲面構(gòu)造繪圖是零件設(shè)計(jì)與加工中的重要環(huán)節(jié)，與產(chǎn)品外形特征一致的三維模型才能加工出符合要求的模具零件。繪圖前，要正確理解圖樣要表達(dá)的幾何形狀和曲面結(jié)構(gòu)，選用合適的曲面或者實(shí)體構(gòu)造方法。首先切換出三種主要視圖：Top（俯視）圖、Front（主視）圖和 Side（側(cè)視）圖，畫出相應(yīng)位置上的剖面圖，表達(dá)出關(guān)鍵尺寸，建好線架結(jié)構(gòu)，花瓣型曲面空間線架如圖1所示。

2.花瓣型曲面的空間線框構(gòu)造

在圖 1的空間線架結(jié)構(gòu)完成的基礎(chǔ)上，利用MasterCAM軟件強(qiáng)大的曲面建模功能進(jìn)行花瓣曲面的繪制。首先利用旋轉(zhuǎn)曲面命令創(chuàng)建出空間的花瓣球體基面，再利用“Main Menu”/“Create” /“suface”/“Trimor extend”/“To curves”的線面結(jié)合操作把花瓣型主體曲線投影至旋轉(zhuǎn)面，并進(jìn)行主體曲面的裁剪操作，曲面裁剪結(jié)果如圖2所示?；ò昵鎯?nèi)部的主體部分則利用命令 “Main Menu”/“Create”/“suface”/“coons”來實(shí)現(xiàn)，在利用 coons曲面命令過程中需注意手動(dòng)選取相關(guān)曲線來實(shí)現(xiàn)單個(gè)花瓣型曲面的創(chuàng)建，在單個(gè)曲面完成之后，利用“Main Menu”/“Xform”/“Rotate”功能實(shí)現(xiàn)所有花瓣曲面的旋轉(zhuǎn)復(fù)制，結(jié)果如圖3所示?；ò曛黧w曲面的縫合處利用“Main Menu”/“Create” /“suface”/“2 surfblnd”進(jìn)行曲面縫合優(yōu)化處理，底部圓形平面則利用“Main Menu”/“Create”/“suface”/“Trim or extend”/“Flat bndy”平面裁剪進(jìn)行填補(bǔ)，最終花瓣曲面的效果圖如圖4所示。

三、花瓣型曲面的 CAM加工

1.MasterCAM軟件的數(shù)控加工流程

根據(jù)逆向工程技術(shù)的理念，給出 CAM數(shù)控加工的流程圖，如圖 5所示。從流程圖中可以看出，應(yīng)用MasterCAM軟件進(jìn)行數(shù)控仿真加工的關(guān)鍵在于零件的加工工藝分析及制定，內(nèi)容包括花瓣型曲面切削方式的選用及加工參數(shù)的設(shè)置。

在進(jìn)行零件的仿真加工結(jié)束之后，根據(jù)仿真結(jié)果，如果加工精度和效率都能滿足要求，則直接進(jìn)入后置處理生成 G代碼階段。如果程序冗長(zhǎng)，加工效率低，則返回線路

①重新進(jìn)行工藝分析與制定。如果加工零件表面粗糙，加工精度低，則返回線路②進(jìn)行刀具軌跡的參數(shù)修改，直至達(dá)到精度要求。

2.花瓣型曲面的加工工藝分析及制定

曲面的數(shù)控加工是逆向工程的重要步驟之一，只有通過編程加工出按“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)重構(gòu)的復(fù)雜曲面，逆向工程才具有實(shí)際意義?；ò晷颓娴那首兓^大，因此將花瓣的主體曲面作為數(shù)控加工編程對(duì)象，來研究復(fù)雜曲面的數(shù)控自動(dòng)編程方法。在 MasterCAM軟件中曲面加工刀路類型較多，需要根據(jù)加工對(duì)象合理選擇切削方式及參數(shù)設(shè)置，其加工刀路中工藝制定的水平原則上決定了曲面的加工精度和加工效率。

（1）工藝分析。

實(shí)際切削過程中應(yīng)用最多的刀路是外形加工、挖槽加工、曲面挖槽加工、曲面平行精加工和曲面等高外形加工。

以上 5種刀路可完成 90%以上的加工任務(wù)，其他刀路則使用頻率較低。選用何種刀路，需要從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、計(jì)算時(shí)間、加工效率以及加工質(zhì)量等方面綜合考慮。

①在粗加工階段，以花瓣型曲面的加工為例，從計(jì)算時(shí)間和加工效率方面考慮，以曲面挖槽加工刀路為主?；ò昵嫱獠枯^為平坦，可應(yīng)用平行精加工刀路以大吃刀量進(jìn)行粗加工，花瓣型內(nèi)部曲面在 Z向加工方向上需去除材料較多，因此采用具有垂直側(cè)壁的挖槽加工刀路，效率相對(duì)較高。

②在光刀（精加工）加工階段，根據(jù)花瓣型曲面的造型特點(diǎn)選擇相應(yīng)的刀路加工?；ò昵嫱獠渴瞧露容^小的平坦曲面，優(yōu)先選用等高外形刀路，同時(shí)需要控制加工高度和加工范圍。花瓣型內(nèi)部曲面造型較為復(fù)雜，控制加工深度已不便于確定出單純適用于平行精加工或等高外形加工的曲面，因此需用平行陡斜面加工來實(shí)現(xiàn)。

③在清角加工階段，依據(jù)曲面交線處的特性選擇不同走刀方案。花瓣主體曲面縫合處曲面斜度較大，可選用交線清角加工，其計(jì)算速度較快，可進(jìn)行分層銑削。endprint

（2）工藝制定。

花瓣型曲面采用了基于 MasterCAM軟件的 FANUC系統(tǒng)數(shù)控加工中心，根據(jù)上述工藝分析結(jié)果，具體加工方案的走刀路線及參數(shù)設(shè)置如表 1所示。

3.花瓣型曲面的數(shù)控加工

（1）加工坐標(biāo)系與毛坯的設(shè)定。

曲面加工的初始環(huán)境設(shè)置主要包括加工坐標(biāo)系和坐標(biāo)原點(diǎn)的確定以及毛坯的尺寸材料設(shè)定。在應(yīng)用逆向工程技術(shù)加工復(fù)雜曲面時(shí)，由于曲面的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)無法獲得，因此建議將 MasterCAM軟件中系統(tǒng)默認(rèn)的坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)定為編程的零點(diǎn)，應(yīng)用 MasterCAM軟件中“Main Menu”/“Xform”/“Translate”可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的精確平移。應(yīng)用 Mastercam軟件中“Main Menu”/“Toolpaths”/“Job setup”，依次設(shè)定 X、Y和 Z軸方向上的尺寸，并將坐標(biāo)原點(diǎn)與毛坯材料的中心頂點(diǎn)處重合。

（2）花瓣型曲面的刀位加工。

根據(jù)表 1確定的曲面加工方案，對(duì)不同刀路進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。

①粗加工過程中，由于考慮到毛坯在 XY平面的余量較大，不宜一次切削完成，應(yīng)選用平行和挖槽多次銑削完成，同時(shí) Z軸方向也需要依照輪廓進(jìn)行多次分層加工，其粗加工后的仿真結(jié)果如圖 6所示。

②在精加工和清角加工時(shí)，第一刀開始加工時(shí)，吃刀量往往比較大，容易引起斷刀、彈刀，這時(shí)可以第一層下刀走空刀，盡量在料外邊下刀。在花瓣曲面內(nèi)外部加工時(shí)，刀路水平步距不變的情況下，刀路的垂直步距會(huì)隨著坡度的增加而變大。如花瓣主體內(nèi)部曲面比較陡，在系統(tǒng)缺省角度下加工，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)面較為粗糙的情況。為避免此現(xiàn)象，在交線清角加工時(shí)，將加工角度設(shè)為 45°，并限制清角加工的范圍。最終仿真加工效果如圖 7所示。

（3）刀位加工的后置處理。

過切現(xiàn)象是 MasterCAM軟件中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，可能出現(xiàn)在各種刀路的情況下。為了保證 MasterCAM軟件所生成 G代碼的安全性，需要對(duì)生成的刀路軌跡檢查和校驗(yàn)，在各種方位的視角反復(fù)檢查。

后置處理過程采用解釋執(zhí)行的原則，即每當(dāng)讀出刀位文件中的一個(gè)完整的記錄，便分析該記錄的類型，根據(jù)記錄類型確定進(jìn)行坐標(biāo)變化還是文件代碼轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)所選用的數(shù)控機(jī)床執(zhí)行坐標(biāo)變化或代碼轉(zhuǎn)換操作，從而生成完整的程序段，直到刀位文件結(jié)束。應(yīng)用 MasterCAM軟件中“Main Menu”/“Toolpaths”/“Operations”/“Post”功能即可生成刀位的 G代碼，并傳輸?shù)綌?shù)控機(jī)床進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)控加工。

四、結(jié)語

（1）基于 MasterCAM的花瓣曲面粗精加工的研究過程中，利用 CAD模塊得到仿真圖形，利用 POST后置處理得到刀路 G代碼，根據(jù)曲面造型特點(diǎn)和加工參數(shù)比對(duì)，選取最優(yōu)曲面加工方式，得到了加工效率和加工質(zhì)量的最佳平衡點(diǎn)。

（2）對(duì)花瓣型曲面數(shù)控成形工藝分析的基礎(chǔ)上，選擇合適的刀路進(jìn)行曲面加工。結(jié)果表明，曲面挖槽加工在粗加工中顯示了較高的加工效率，平行陡斜面加工和等高外形加工在精加工中取得了較好的效果。利用交線清角加工控制加工軌跡，保證了花瓣曲面在縫合處的精度，實(shí)現(xiàn)了整體表面加工質(zhì)量均勻一致的總體要求。endprint