人體骨骼模型五軸數(shù)控加工工藝

張江華，姜毅，胡青，蔣云清，胡珊

南昌工學(xué)院 江西南昌 330108

1 序言

人體骨骼模型加工的質(zhì)量將直接影響到醫(yī)學(xué)治療的效果。目前，國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)較為成熟，但是由于受材料、加工成本的影響，尚未進(jìn)行全面普及，因此人體骨骼模型的三維建模和制造加工是急需解決的問(wèn)題。本研究采用CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描）獲得的人體骨骼圖像，通過(guò)UG軟件完成對(duì)人體骨骼模型的建模。人體骨骼模型如圖1所示，結(jié)合PowerMILL軟件編制出加工刀具路徑（見(jiàn)圖2），并進(jìn)行后置處理，生成數(shù)控機(jī)床能夠識(shí)別的NC代碼，然后基于Vericut仿真軟件，模擬刀路軌跡的正確性，對(duì)NC代碼進(jìn)行驗(yàn)證，最后采用i5系統(tǒng)AC搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心完成人體骨骼模型的加工。采用這種加工方法，不僅大大縮短了加工時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率與工件質(zhì)量，而且降低了醫(yī)療成本。

圖1 人體骨骼模型

圖2 PowerMILL軟件編制的加工刀具路徑

2 工藝方案

人體骨骼模型通過(guò)UG三維逆向生成，產(chǎn)品的最大外形尺寸為φ78mm×80mm（不含底座），模型中曲面和圓弧過(guò)渡較多。試驗(yàn)選用毛坯型材為φ80mm尼龍棒，選用型號(hào)為i5M8.4的五軸數(shù)控機(jī)床，最高轉(zhuǎn)速12000r/min、穩(wěn)定精度可達(dá)0.005mm，滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

人體骨骼模型加工工藝卡及PowerMILL加工參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。人體骨骼模型的加工工藝策略分為：模型區(qū)域清除（三軸定軸毛坯加工）、旋轉(zhuǎn)精加工（四軸基座精加工）、模型殘留區(qū)域清除（3+2軸半精加工）、點(diǎn)投影精加工和直線投影精加工（五軸聯(lián)動(dòng)精加工）。

表1 人體骨骼模型加工工藝卡及PowerMILL加工參數(shù)設(shè)置

3 三軸定軸粗加工

三軸定軸粗加工如圖3所示，采用模型區(qū)域清除的加工策略進(jìn)行模型粗加工。通過(guò)固定刀軸方向和A/C軸旋轉(zhuǎn)角度的方法，使五軸機(jī)床轉(zhuǎn)變成傳統(tǒng)三軸立式加工中心進(jìn)行開(kāi)粗，提高了加工效率。以Post2為加工坐標(biāo)系并加工第二側(cè)面毛坯時(shí)，當(dāng)?shù)毒呒庸ぶ林虚g薄壁位置時(shí)，由于模型底部沒(méi)有足夠的支撐，刀具會(huì)因機(jī)床振動(dòng)而出現(xiàn)振刀、彈刀現(xiàn)象，影響模型加工質(zhì)量，且無(wú)法加工第三側(cè)面和第四側(cè)面的殘余，因此改進(jìn)工藝，將模型劃分成4個(gè)區(qū)域進(jìn)行加工。以Post1、Post2為加工坐標(biāo)系加工時(shí)，應(yīng)單邊限制刀具加工至模型中心上方20～30mm的距離，此時(shí)以Post2為加工坐標(biāo)系加工第二側(cè)面時(shí)，底部存在加工第一側(cè)面預(yù)留的20～30mm的距離，以及第二側(cè)面自身加工預(yù)留的20～30mm的距離，加工時(shí)底部有了足夠厚度（約40～60mm）的支撐，刀具不會(huì)出現(xiàn)振刀、彈刀現(xiàn)象。然后以Post3、Post4作為加工坐標(biāo)系加工第三側(cè)面和第四側(cè)面，并加工至中心線以下2～5mm，保證模型完整去除毛坯部分。加工第三側(cè)面和第四側(cè)面時(shí)，由于模型自身作為支撐，則不會(huì)出現(xiàn)振刀、彈刀現(xiàn)象，從而提高了人體骨骼模型的加工效率與加工質(zhì)量。

圖3 三軸定軸粗加工

4 3+2軸定軸半精加工

以i5系統(tǒng)AC搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心為例，3+2軸加工方式的本質(zhì)是將五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心的工作臺(tái)變?yōu)楣潭ǚ较颉⒐潭ń嵌?，刀具軸向不再變化，對(duì)模型3D型面進(jìn)行加工。3+2軸半精加工如圖4所示。采用A/C兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸先將人體骨骼模型固定在一個(gè)傾斜位置（見(jiàn)圖4a），即A/C軸工作臺(tái)根據(jù)人體骨骼模型型面的需要轉(zhuǎn)到A－45°，C＝DC（0°），再由刀具沿X、Y和Z方向進(jìn)給進(jìn)行加工。當(dāng)加工完當(dāng)前區(qū)域后，再根據(jù)加工需要，調(diào)整A/C軸角度繼續(xù)進(jìn)行其他區(qū)域的加工。

曲面的3+2軸加工如圖4b所示。其中vf為進(jìn)給速度，α為刀軸與切削表面法向矢量?jī)A角。3+2軸數(shù)控加工方式是把曲面當(dāng)作近似的平面進(jìn)行加工，通過(guò)將刀具軸向傾斜一個(gè)角度，以避免零切削速度加工，從而獲得理想的加工效果。通過(guò)機(jī)床A/C軸回轉(zhuǎn)臺(tái)定義空間中的旋轉(zhuǎn)工作平面，在此工作平面可以進(jìn)行2D或3D加工編程操作，合理設(shè)置其他參數(shù)，生成模型半精加工的刀具路徑軌跡。

圖4 3+2軸半精加工

5 五軸聯(lián)動(dòng)精加工

人體骨骼模型形狀不規(guī)則，曲面分布無(wú)規(guī)律，側(cè)面扭曲程度較大，頂部骨骼存在倒扣區(qū)域，如果采用傳統(tǒng)的三軸機(jī)床進(jìn)行加工，則需要多套專用工裝夾具，并重復(fù)進(jìn)行拆卸、裝夾和定位，無(wú)法保證加工質(zhì)量，且加工效率低。i5系統(tǒng)AC搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心各軸運(yùn)動(dòng)方向如圖5所示，采用五軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行加工，模型裝夾一次即可完成所有工序的加工，減少了拆卸、裝夾、定位次數(shù)及配套的工裝夾具，提高了加工效率與加工質(zhì)量。PowerMILL提供了5種投影精加工策略，分別是：點(diǎn)投影精加工、直線投影精加工、平面投影精加工、投影曲線精加工和曲面投影精加工。根據(jù)人體骨骼模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別采用點(diǎn)投影精加工和直線投影精加工。

圖5 i5系統(tǒng)AC搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心各軸運(yùn)動(dòng)方向

6 程序的生成

五軸機(jī)床的坐標(biāo)系與三軸機(jī)床的坐標(biāo)系有所不同。五軸機(jī)床中X、Y軸的原點(diǎn)是回轉(zhuǎn)盤(pán)C軸的中心點(diǎn)，Z軸的原點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)A軸與回轉(zhuǎn)盤(pán)C軸的軸線交點(diǎn)。后處理時(shí)NC參數(shù)選擇如圖6所示。在NC參數(shù)選擇時(shí)，要保證人體骨骼模型位置坐標(biāo)系與輸出用戶坐標(biāo)系保持一致，并使編程時(shí)的加工坐標(biāo)與工件裝夾時(shí)的坐標(biāo)系保持一致。在輸出刀具刀位點(diǎn)時(shí)，加工刀具為立銑刀時(shí)要選擇刀具中心作為刀位點(diǎn)，加工刀具為球頭刀時(shí)要選擇刀具刀尖作為刀位點(diǎn)，輸出文件類型可以設(shè)置為.NC或.TXT格式。

圖6 后處理時(shí)NC參數(shù)選擇

7 Vericut仿真及數(shù)控加工

采用與i5系統(tǒng)AC搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心相匹配的后處理，經(jīng)后處理器生成機(jī)床可識(shí)別的NC代碼，為了確保NC代碼的可行性和正確性，需要通過(guò)Vericut仿真軟件進(jìn)行模擬仿真，仿真驗(yàn)證無(wú)干涉、過(guò)切及欠切等現(xiàn)象。圖7為人體骨骼模型仿真后的光亮陰影圖像，驗(yàn)證無(wú)誤后，通過(guò)DNC（Distributed Numerical Control）直接數(shù)字控制傳輸?shù)綌?shù)控機(jī)床進(jìn)行人體骨骼模型加工。加工后的人體骨骼模型產(chǎn)品實(shí)物（毛坯材料為尼龍棒）如圖8所示。

圖7 人體骨骼模型仿真后的光亮陰影圖像

圖8 加工后的人體骨骼模型產(chǎn)品實(shí)物

8 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目依托南昌工學(xué)院校級(jí)課題（項(xiàng)目編號(hào)：NGKJ-20-10）和江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：GJJ202503）進(jìn)行研究。根據(jù)現(xiàn)代智能制造加工的特點(diǎn)，以人體骨骼模型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工為研究對(duì)象，通過(guò)UG逆向生成三維模型，采用PowerMILL進(jìn)行五軸加工刀具路徑的編寫(xiě)，生成加工刀具軌跡。經(jīng)過(guò)i5系統(tǒng)專用五軸后處理器生成NC代碼文件，通過(guò)Vericut仿真驗(yàn)證后，應(yīng)用i5系統(tǒng)AC搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心完成了人體骨骼模型的加工。

研究采用三軸定軸粗加工的方式對(duì)人體骨骼模型四面進(jìn)行開(kāi)粗，提高了產(chǎn)品在加工時(shí)的剛度，減少了因振動(dòng)而引起的彈刀現(xiàn)象；3+2軸定軸半精加工切除了三軸定軸粗加工無(wú)法加工的倒扣區(qū)域，減少了產(chǎn)品的殘余加工量，為后續(xù)五軸精加工提供了較少且均勻的殘余余量，保證了刀具精加工時(shí)受力均勻，從而提高了加工效率與加工質(zhì)量，同時(shí)也為其他類似產(chǎn)品的加工提供了借鑒。