木制工藝品車削編程系統(tǒng)研發(fā)

郭 峰，杜 強(qiáng)，朱廣躍

（1. 滕州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所， 山東滕州 277500；2. 國(guó)家機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（山東）， 山東滕州 277500）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提高，木制工藝品越來越受到青睞，例如木制佛珠、木制羅馬柱、木制葫蘆掛件、根雕、木制浮雕擺件等[1-2]，傳統(tǒng)的加工方式多為人工雕刻加工，效率低且加工質(zhì)量不易保證[3]。因佛珠、羅馬柱、葫蘆掛件等木制工藝品為外圓回轉(zhuǎn)體，采用數(shù)控車削加工可大大提高加工效率、保證加工質(zhì)量且能降低對(duì)從業(yè)工人的技藝要求。但傳統(tǒng)的數(shù)控車床程序編制步驟繁瑣，非專業(yè)人員難以勝任[4-8]。

張振宇、張大勇等[9-10]基于AUTO CAD開發(fā)了自動(dòng)車削編程系統(tǒng)，但系統(tǒng)不具備獨(dú)立性，且操作者需具備AUTO CAD基礎(chǔ)；冉旭等[11]基于QT開發(fā)了面向復(fù)雜回轉(zhuǎn)曲面的數(shù)控車削的自動(dòng)編程軟件，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜回轉(zhuǎn)曲面的截面線繪制、自動(dòng)編程等功能，但系統(tǒng)針對(duì)特殊數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)，不具備通用性；周智勇[12]研發(fā)了木工藝仿形車床數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于圖像信息的刀軌生產(chǎn)及車削加工，但需提前獲取所仿形產(chǎn)品的渲染圖片，且所生成刀軌數(shù)據(jù)和機(jī)床控制運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部傳輸，不便于任意外圓輪廓的車削加工及任意數(shù)控車床的使用，局限性大。

鑒于此，本文研究車削圖形輸入及自動(dòng)編程算法，將所提算法在C++bulider 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，開發(fā)出專用小型CAD/CAM軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車削零件截面線的快速輸入、毛坯定義、刀具定義、車削刀軌的自動(dòng)生成及NC程序輸出，大大提高了此類車削程序的編制效率，減低了對(duì)操作者的要求。通過使用軟件所生成的程序進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了軟件的實(shí)用性、高效性。

1 車削編程系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本車削系統(tǒng)針對(duì)外圓零件開發(fā)，所用刀具為圓弧車刀，車刀垂直于車床主軸安裝，刀具外形及安裝方式如圖1所示。本文車削編程系統(tǒng)通過鼠標(biāo)與繪圖界面進(jìn)行交互操作繪制零件外形截面線；將零件截面線向外偏置，獲取的偏置輪廓線既為車削精加工刀軌；依據(jù)毛坯尺寸規(guī)劃一系列截交線，求交截交線與零件截面線的偏置輪廓，對(duì)所獲交點(diǎn)進(jìn)行排序生成粗加工刀軌；最后以粗加工中工件截面線的Z向極值為Z軸零點(diǎn)，將生成的刀軌按先粗后精的順序依一定的格式輸出，獲取零件車削的完整NC代碼。軟件系統(tǒng)總體框架及所依賴的算法如圖2所示。

圖1 車刀及刀具安裝方式

圖2 軟件系統(tǒng)框架及算法

2 工件截面線繪制

工件截面用直線段或圓弧段表示，在繪制界面中建立如圖3 所示的坐標(biāo)系，繪制截面線時(shí)在第一象限自左到右依次繪制。

圖3 工件截面線繪制區(qū)域

直線段繪制時(shí)通過鼠標(biāo)拾取繪制區(qū)域中的兩個(gè)點(diǎn)依次作為起點(diǎn)和終點(diǎn)。圓弧段繪制時(shí)采取三點(diǎn)繪制法，如圖4所示，依次拾取圓弧的起點(diǎn)P0、終點(diǎn)P1及圓弧上一點(diǎn)P2，則圓心點(diǎn)O為P0P2中垂線與P1P2中垂線的交點(diǎn)。P0P2的中垂線線可由中垂線上一點(diǎn)P3及單位向量v0表示，P3及v0可通過式（1）求得，同理可求得P1P2的中垂線上一點(diǎn)P4及單位向量v1，則圓心點(diǎn)O可通過式（2）求得。連接P0P1，將向量表示為(x01y010) ，連接P0O，將向量表示為(x0Oy0O0) ，叉乘與得到向量v( 0 0k)，如式（3）所示，若所得k<0則所繪制圓弧為逆圓，若式（3）所得k≥0，則所繪制圓弧為順圓。

圖4 圓弧的繪制

依次繪制完點(diǎn)擊完成時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)檢測(cè)最后一條截面線的終點(diǎn)X坐標(biāo)值是否為0，如不為0以該點(diǎn)為起點(diǎn)自動(dòng)添加終點(diǎn)坐標(biāo)值為0的平行于X軸的直線段。

3 截面線偏置及精加工刀軌獲取

對(duì)截面線偏置時(shí)，先對(duì)組成截面線的各直線段或圓弧段進(jìn)行偏置，偏置量為車刀圓弧半徑，求交各相鄰偏置輪廓段，依據(jù)交點(diǎn)情況對(duì)偏置輪廓段進(jìn)行轉(zhuǎn)接處理，對(duì)轉(zhuǎn)接處理后的偏置輪廓段進(jìn)行自相交檢測(cè)，刪除自相交輪廓斷后獲取偏置輪廓線，將偏置輪廓線逆序輸出獲取車削精加工刀軌。

3.1 輪廓段偏置

截面線于第一象限自左到右依次繪制，組成截面線的直線段或圓弧段偏置時(shí)左偏。如圖5所示，如偏置量為δ，則截面線中直線段P0P1的偏置輪廓段可通過式（4）獲?。粓A弧段偏置時(shí)圓弧圓心不變，圓弧半徑值依據(jù)順逆關(guān)系加或減δ，順圓弧段P1P2的圓心為O0偏置后圓弧段起始點(diǎn)通過式（5）獲取，逆圓弧段P2P3偏置后的起始點(diǎn)計(jì)算公式參見式（5），但式中的加號(hào)改為減號(hào)。

圖5 直線段及圓弧段偏置

3.2 偏置輪廓段的轉(zhuǎn)接處理

對(duì)相鄰偏置輪廓段進(jìn)行求交，如圖5中P0P1的偏置輪廓段P00P10與P1P2的偏置輪廓段P11P20相交，且交點(diǎn)P12存在且落在P00P10、P11P20內(nèi)，則以交點(diǎn)P12代替P00P10的原終點(diǎn)P10及P11P20的原起點(diǎn)P11；如圖5 中P2P3的偏置輪廓段P20P30與P3P4的偏置輪廓段P31P40相交，交點(diǎn)不存在或未落在P2P3、P31P40內(nèi)，則在P20P30、P31P40之間添加過渡圓弧，過渡圓弧圓心為P3，半徑為偏置量δ。

相鄰輪廓段求交時(shí)有三種情況，直線與直線求交、直線于圓弧求交、圓弧與圓弧求交。兩直線不平行時(shí)存在交點(diǎn)，交點(diǎn)計(jì)算可參見式（2）。直線與圓弧、圓弧與圓弧交點(diǎn)的計(jì)算及交點(diǎn)是否落在輪廓段內(nèi)的判斷算法參見文獻(xiàn)［13］。

如圖5中截面線P0-P1-P2-P3-P4經(jīng)輪廓段偏置、轉(zhuǎn)接處理后獲取的偏置輪廓線為P00-P12-P20-P30-P31-P40。

3.3 自相交檢測(cè)及無(wú)效段刪除

如截面線偏置后共有n條輪廓段，自左邊開始自第i段輪廓開始依次與后續(xù)第i+2 段輪廓至第n段輪廓求交， 其中（i=1，2，…，n-2），如存在交點(diǎn)，則偏置輪廓存在自相交，須在交點(diǎn)處對(duì)輪廓段進(jìn)行打斷、刪除自相交環(huán)后生成無(wú)干涉輪廓。如圖6所示，偏置輪廓P00-P10-P20-P30中P00P10與P20P30相較于點(diǎn)P，則存在自相交，將P00P10與P20P30在P點(diǎn)打斷并連接，同時(shí)刪除輪廓段P-P10-P20-P，處理后的無(wú)干涉偏置輪廓為P00-P-P30。

圖6 自相交偏置輪廓段處理

3.4 輪廓段的逆序處理

輪廓段逆序輸出為精加工刀軌段時(shí)，原有偏置輪廓段的起點(diǎn)、終點(diǎn)交換，且如偏置輪廓為圓弧時(shí)圓弧方向改變，順圓變?yōu)槟鎴A，逆圓變?yōu)轫槇A。如圖5中對(duì)應(yīng)輸出的精加工刀軌段依次為P40P31、P31P30（逆圓）、P30P20（順圓）、P20P12（逆圓）、P12P00。

4 粗加工刀軌生成

輸入毛坯直徑為D，粗車吃刀量為a，精加工余量為Δ，刀 具 半 徑 為r， 工 件 截 面 線 的Z向 極 值 為Ze， 令Zq＝Ze＋Δ＋r，依次規(guī)劃起點(diǎn)為(Zq,D-n×a)、終點(diǎn)為( 0,D-n×a)、n=(1, 2, …)且n×a

4.1 有效刀軌段獲取

獲取單行交點(diǎn)后，將交點(diǎn)連同截面線的起點(diǎn)、終點(diǎn)按Z向坐標(biāo)由大到小排序，如第一點(diǎn)的序號(hào)標(biāo)記為0，檢測(cè)第2n個(gè)點(diǎn)到2n+1個(gè)點(diǎn)的距離l，其中n=( 0,1, …)，如l大于預(yù)設(shè)的最小刀軌長(zhǎng)度（本文中設(shè)置為精加工余量Δ的1/2），則當(dāng)前兩點(diǎn)構(gòu)成的刀軌段為有效刀軌段。如圖7所示，截面線J0J1與粗加工邊界相較于P0、P1，J0P0、P1J1長(zhǎng)度均大于Δ /2 ，則J0P0、P1J1為當(dāng)前行的有效刀軌段；截面線J2J3與粗加工邊界相較于P2、P3、P4、P5，其中J2P2長(zhǎng)度小于Δ /2 ，則P3P4、P5J3為當(dāng)前行的有效刀軌段。

圖7 有效粗加工刀軌段獲取

4.2 進(jìn)退刀處理及粗加工刀軌生成

為保證車削過程中毛坯的強(qiáng)度，粗加工采用單向行切刀軌。從第一條截面線開始上的有效刀軌段開始，開始切削時(shí)刀具先沿X軸快速定位到最小安全距離處XS，XS為工件最大半徑加安全閾值，本文中毛坯直徑為D，粗車吃刀量為a，XS=D/2+a；然后快速定位刀具到第一條有效刀軌段L0起點(diǎn)的正上方，工進(jìn)至L0起點(diǎn)，完成進(jìn)刀。每一條刀軌段切削完后沿X軸快速定位至XS，完成退刀。本行處理完后，進(jìn)行下一行處理。 如圖6 所示第一行刀軌經(jīng)處理后的軌跡為S0-J0-P0-K0-K1-P1-J1-E0，其中實(shí)線為工進(jìn)，虛線為快進(jìn)。為保證精加工余量均勻，在行切粗加工刀軌處理完畢后，將粗加工邊界逆序處理，完成粗加工刀軌的處理。

工件車削對(duì)刀時(shí)以工件右端中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，因此刀軌輸出時(shí)，對(duì)生成的刀軌沿Z軸進(jìn)行坐標(biāo)變化，以粗加工中工件截面線的Z向極值為Z軸零進(jìn)行刀軌輸出。

5 應(yīng)用實(shí)例

將本文算法在C++builder6.0 中實(shí)現(xiàn)，生成可獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，執(zhí)行程序通過鼠標(biāo)交互在界面中繪制如圖8（a）所示的圖形，點(diǎn)擊完成，系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)全輪廓并鏡像顯示工件完整的截面線，輸入邊界等參數(shù)后生成如圖8（b）所示的刀軌及如圖8（c）所示NC代碼，經(jīng)實(shí)際切削后獲得如圖8（d）所示的零件。

圖8 驗(yàn)證實(shí)例

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了完善車削圖形輸入及自動(dòng)編程算法，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立的車削CAD/CAM 系統(tǒng)的研發(fā)，所研發(fā)車削系統(tǒng)可簡(jiǎn)單、方便地實(shí)現(xiàn)車削工件截面線的輸入、粗精加工刀軌的生成等，并在實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確，降低了對(duì)木制工藝品的加工從業(yè)人員的要求，使車削編程變得簡(jiǎn)單、易學(xué)。