MATLAB 與UG實現(xiàn)復(fù)雜型面數(shù)控加工技術(shù)的研究

尹玉鵬 ，王虎奇 ，潘芳秦

（1.滄州師范學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，河北 滄州 061000，2.廣西科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

1 引言

MATLAB是一款基于矩陣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)運算的軟件，在矩陣運算、數(shù)值計算等方面具有顯著的優(yōu)越性。MATLAB擁有強大的繪圖、圖像分析與處理的功能，能夠輕易地做出各種復(fù)雜函數(shù)的曲線、曲面圖形和其他圖形[1-2]。

所謂的數(shù)控加工是指將預(yù)加工的工件毛坯放置于機床上進(jìn)行切削加工的工藝過程。根據(jù)工件的加工工藝需要，將切削工件的刀具運動軌跡以程序的形式編寫出來并輸入機床系統(tǒng)內(nèi)，以機床可以識別的程序代碼控制機床刀具與工件之間的相對運動，從而逐漸實現(xiàn)工件的各項加工工藝要求，將毛坯加工成型。

傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法采用三維繪圖軟件直接對工件進(jìn)行建模的加工工藝。然而這種傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法效率低下且不具有普遍性。在實際加工中，一些具有復(fù)雜型面的工件很難在三維繪圖軟件中一次性繪制成功。采用MATLAB與UG實現(xiàn)復(fù)雜型面數(shù)控加工的加工工藝，可以將曲面上所有點的三維坐標(biāo)提取出來，再輸入UG等三維造型軟件中，實現(xiàn)由點到面的三維造型，通過后置處理生成數(shù)控加工程序，將高難度的算法與實際加工結(jié)合在一起，使得復(fù)雜型面編程達(dá)到了程序簡潔和編程效率提高的目的。以鞍形曲面為例，結(jié)合MATLAB和UG實現(xiàn)復(fù)雜型面的數(shù)控加工工藝。

2 MATLAB圖形的繪制與點坐標(biāo)的導(dǎo)出

2.1 鞍形曲面的繪制

選用典型的二次曲面鞍形曲面作為待測曲面，其曲面方程為：z=（x-15）2/16-（y-21.830）2/25+5；x∈［0，30］，y∈［0，43.660］mesh（x，y，z）和surf（x，y，z）是MATLAB中繪制工件模型三維網(wǎng)格圖和實體圖的重要指令，其中x、y、z分別為模型表面上離散點的x軸、y軸和z軸坐標(biāo)矩陣[3]。修改后的二次函數(shù)鞍形曲面表示的MATLAB語句為：

［x，y］=meshgrid（0：1：60，0：1：86）；

z=-［（x-30）.^2/64-（y-42）.^2/100］-10；

mesh（x，y，z）；

axis（［0，60，0，100，-30，10］）；

title（’鞍形曲面’）；

xlabel（’x’）；

ylabel（’y’）；

zlabel（’z’）；

a=x（：）；

b=y（：）；

c=z（：）；

在MATLAB中生成的鞍形曲面，如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)點的導(dǎo)出

將MATLAB生成的鞍形曲面的點坐標(biāo)以（x，y，z）坐標(biāo)值的形式表達(dá)出來。以UG可以識別的dat文件格式導(dǎo)入UG中。鞍形曲面的點坐標(biāo)，如表1所示。

表1 鞍形曲面的點坐標(biāo)Tab.1 The Coordinate Data of the Saddle Surface

將鞍形曲面的點坐標(biāo)以dat文件格式保存，執(zhí)行UG中由點生成面的命令，并在UG中生成導(dǎo)入點坐標(biāo)的曲面圖形。鞍形曲面點云生成的曲面圖，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)入UG中的點坐標(biāo)曲面圖Fig.2 The Surface of Imported Data Points in UG

3 鞍形曲面在UG中的數(shù)控加工

3.1 鞍形曲面的粗加工

對導(dǎo)入UG后的點坐標(biāo)圖進(jìn)行簡單的建模修改，將坐標(biāo)圖進(jìn)行拉伸，使其成為鞍形體?？紤]到加工過程中曲面尺寸的約束，故選用規(guī)格為D16R4的環(huán)形刀（刀具直徑為16mm，下半徑為4mm）進(jìn)行加工。本次鞍形曲面的粗加工方法為型腔銑。型腔銑一般主要應(yīng)用于工件的粗加工工序中，用于快速去除工件毛坯的多余廢料，適用于加工平面銑無法加工的具有拔模角度零件的側(cè)壁和包含曲面的任何形狀零件。設(shè)定切削模式為跟隨周邊，選取鞍形曲面的指定切削層范圍并設(shè)置部件余量為1mm。設(shè)定進(jìn)給率和刀具轉(zhuǎn)速分別為1200mm/min和6000r/min，完成鞍形曲面型腔銑的粗加工工藝。鞍形曲面的粗加工刀路軌跡，如圖3所示。

圖3 鞍形曲面的粗加工刀路軌跡Fig.3 The Rough Tool-Path of the Saddle Surface

3.2 鞍形曲面的精加工

對開粗后的鞍形曲面進(jìn)行精加工操作。此次精加工采用五軸數(shù)控機床對鞍形曲面進(jìn)行加工，通過依次減小曲面的部件余量和增加切削步數(shù)來完成零件的精加工。本次精加工刀具的選擇依然采用D16R4的環(huán)形刀，加工方法為可變輪廓銑?？勺冚喞娨话銘?yīng)用于工件的精加工，是一種由工件輪廓曲面形成的區(qū)域的加工方法。它可以通過精確的控制刀軸和投影矢量，使刀軌沿著非常復(fù)雜的曲面的復(fù)雜輪廓移動[4]。其中驅(qū)動方法采用外形輪廓銑，切削模式設(shè)置為往復(fù)切削。兩次可變輪廓銑的部件余量依次為0.2mm和0mm，往復(fù)切削步距數(shù)分別為86步和200步。鞍形曲面的精加工刀路軌跡，如圖4所示。

圖4 鞍形曲面的精加工刀路軌跡Fig.4 Finishing Tool-Path of the Saddle Surface

4 鞍形曲面的后置處理與仿真

4.1 鞍形曲面的后置處理

UG生成的數(shù)控程序即刀位源文件描述的是刀具相對于工件的運動軌跡。UG中導(dǎo)出的工件加工程序不能被加工中心的五軸機床直接識別，不能直接命令機床刀具按指定軌跡運行，需要對這些刀位源文件做一定的轉(zhuǎn)換，將導(dǎo)出的程序通過某特定機床的專用后置處理軟件轉(zhuǎn)換成加工機床可以識別、執(zhí)行的NC代碼，這個過程統(tǒng)稱為后置處理[5]。鞍形曲面的加工采用配置Siemens 840D系統(tǒng)的BV-100[6]雙轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控加工中心。UG生成的數(shù)控代碼不能直接應(yīng)用于五軸數(shù)控機床上，需進(jìn)行專用的后置處理軟件[7]將UG生成的數(shù)控代碼轉(zhuǎn)換為機床可以識別、運行的NC代碼。將鞍形曲面所有數(shù)控加工的刀位源文件導(dǎo)入開發(fā)的專用后置處理程序中，生成機床可識別的NC代碼。鞍形曲面部分NC代碼，如圖5所示。

圖5 鞍形曲面部分后置處理后的NC代碼Fig.5 The NC Program Produced by the Postprocessing Program

4.2 鞍形曲面的仿真加工

由于鞍形曲面的型面過于復(fù)雜，加工難度很大，為了精確無誤的一次性加工成功，需要對曲面進(jìn)行仿真加工。仿真加工是在工件實際加工前驗證加工準(zhǔn)確性的一道必不可少的工序。仿真加工可以模擬工件實際加工時被切削的刀路軌跡運行情況；可以及時觀察到加工時可能出現(xiàn)的銑頭碰撞和刀具干涉等危險信號；可以在實際加工前修改加工方案和加工方法。避免實際加工時的材料浪費。本次鞍形曲面的仿真加工采用的是VERICUT仿真軟件，該軟件在仿真加工時能夠檢測錯誤并發(fā)出自動報警提示，同時系統(tǒng)的計出錯誤的數(shù)量及發(fā)生位置[8]。將鞍形曲面的毛坯模型和設(shè)計模型以STL的格式導(dǎo)入VERICUT中，設(shè)置刀具型號并依次按后置處理后的NC代碼順序進(jìn)行仿真加工。仿真加工過程中未出現(xiàn)碰撞報警提示。鞍形曲面的仿真加工圖，如圖6所示。

圖6 仿真后的鞍形曲面模型Fig.6 The Model of the Saddle After the Simulation Processing

4.3 鞍形曲面的仿真檢測

MATLAB還具有與設(shè)計模型自動檢測的功能，將仿真加工后的毛坯模型與仿真前導(dǎo)入的設(shè)計模型進(jìn)行分析-自動檢測。在自動檢測命令下，我們可以輸入理想檢測的殘留余量和過切量的大小來驗證零件加工的合格與否。本次加工設(shè)置的過切和殘留公差都為0.01mm，檢測后的鞍形曲面無明顯過切顯現(xiàn)，且殘留余量在允許范圍之內(nèi)，檢測合格，可以進(jìn)行實際加工。鞍形曲面檢測結(jié)果，如圖7所示。

圖7 鞍形曲面的仿真結(jié)果Fig.7 The Text Result of the Simulation of the Saddle Surface

5 鞍形曲面的實際加工

在VERICUT仿真軟件中模擬整套加工工藝無誤后，將鞍形曲面的毛坯模型進(jìn)行實際加工。本次鞍形曲面實際加工時機床所用的夾具為虎鉗裝夾，故在加工前，需要利用三軸數(shù)控銑床對曲面的毛坯進(jìn)行裝夾準(zhǔn)備設(shè)計，采用三軸聯(lián)動的加工方法在毛坯的低端打入對稱的約15mm的槽，以便于毛坯固定在五軸數(shù)控機床上進(jìn)行實際加工。鞍形曲面低端的裝夾槽，如圖8（a）所示。加工使用BV-100雙轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控加工中心，采用五軸聯(lián)動的加工方法將（60×86）mm的鞍形曲面加工成型。因加工材料為鋼件，加工過程中需不斷的補給切削液[9]，減少刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦，及時帶走切削區(qū)內(nèi)因材料變形而產(chǎn)生的熱量，提高了加工效率、加工精度和降低了工件表面的粗糙度，并延長了刀具的使用壽命。在鞍形曲面的加工過程中，刀具運動平緩且沒有明顯的抖動顯現(xiàn)，加工完成后的成品曲面光滑無明顯過切顯現(xiàn)，切殘留余量在允許范圍之內(nèi)，符合加工要求。鞍形曲面實際加工后的成品，如圖8（b）所示。

圖8 鞍形趣滿的裝夾槽和實際加工成品Fig.8 The Clamping Groove and Finished Products of the Saddle

6 結(jié)論

本次鞍形曲面的實際加工案例，以MATLAB強大的數(shù)學(xué)建模功能編寫得出鞍形曲面的數(shù)據(jù)點坐標(biāo)，導(dǎo)入UG后，通過UG具有的復(fù)雜曲面造型功能和數(shù)控編程能力得到鞍形曲面的精確三維實體模型以及數(shù)控加工程序。實現(xiàn)了結(jié)合MATLAB和UG加工復(fù)雜型面類產(chǎn)品的數(shù)控加工方法，解決了數(shù)控加工過程中建模難的問題，同時提高了數(shù)控編程的工作效率，為其他具有復(fù)雜型面類產(chǎn)品的數(shù)控加工提供了理論依據(jù)。

［1］張志涌.精通MATLABR2011a［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.（Zhang Zhi-yong.Proficient in R2011a MATLAB［M］.Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2011.）

［2］王正盛.MATLAB與科學(xué)計算［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011.（Wang Zheng-sheng.MATLAB and Scientific Calculation［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2011.）

［3］鄭冀魯.MATLAB與化學(xué)—作圖、計算與數(shù)據(jù)處理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.（Zheng Ji-lu.MATLAB and Chemical-Mapping，Calculation and Data Processing［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2009.）

［4］周濟，周艷紅.數(shù)控加工技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002.（Zhou Ji，Zhou Yan-hong.NC Machining Technology［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2002.）

［5］劉雄偉.數(shù)控加工理論與編程技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.（Liu Xiong-wei.NC Machining Theory and Programming Technology［M］.Beijing：China Machine Press，2005.）

［6］唐清春，張仁斌，何俊.基于VB BV100五軸聯(lián)動加工中心后置處理的研究［J］.機械設(shè)計與制造，2012（2）：73-75.（Tang Qing-chun，Zhang Ren-bin，He Jun.The development and application of special post-processing for BV-100 5-axis machining center［J］.Machinery Design&Manufacture，2012（2）：73-75.）

［7］侯曉強，劉艷慧，郭英麗.精通 Java 2［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.（Hou Xiao-qiang，Liu Yan-hui，Guo Ying-li.Proficient in Java 2［M］.Beijing：Science Press，2003.）

［8］李云龍，曹巖.數(shù)控機床加工仿真系統(tǒng)VERICUT［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2006.（Li Yun-long，Cao Yan.CNC Machining Simulation System VERICUT［M］.Xi’an：Xi’an Jiaotong University Press，2006.）

［9］董洪亮.金屬切削液的正確選用［J］.合成潤滑材料，2004.（Dong Hong-liang.Correct selection of metal cutting fluid［J］.Synthetic Lubricants，2004.）