基于逆向建模、PowerMill與Vericut的大力神杯五軸數(shù)控加工技術(shù)的研究

呂彎彎

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450042)

0 引言

科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，不僅帶動了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，更是推動了工業(yè)技術(shù)有了質(zhì)的飛越。比如出現(xiàn)了增材技術(shù)(如3D打印)，種類之繁多、精度之高；多軸機(jī)床(如德瑪吉)，國內(nèi)也設(shè)計(jì)生產(chǎn)了小型或者桌面簡易款的多軸機(jī)床；逆向工程技術(shù)的出現(xiàn)是工業(yè)發(fā)展史上又有了一次質(zhì)的飛越，可以使形狀復(fù)雜、難以加工的曲面通過逆向的方式獲取。本文中的案例大力神杯曲面比較復(fù)雜，若想通過正向的方式三維建模難度非常大，因此就需要采取逆向思維的方式進(jìn)行獲取。

POWERMILL是一款專業(yè)的數(shù)控加工自動編程軟件，同時也是CAD/CAM軟件中最具有代表性的軟件。此款軟件在多軸加工方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，并為用戶提供了多種加工策略。

VERICUT是經(jīng)美國CGTECH公司專為數(shù)控加工技術(shù)量身打造的一款仿真模擬兼仿真優(yōu)化的軟件。該款數(shù)控仿真模擬軟件主要具備以下兩大功能：仿真驗(yàn)證功能和仿真優(yōu)化功能。仿真驗(yàn)證功能主要解決了采用試切法加工時所產(chǎn)生的各種弊端，既節(jié)約了生產(chǎn)所需要的加工成本，同時也減少了生產(chǎn)周期，提高加工效率。仿真優(yōu)化功能主要優(yōu)化了銑削加工過程中各個參數(shù)的設(shè)置，從而提高了產(chǎn)品的最終加工質(zhì)量和降低了刀具的破損等。

1 大力神杯的建模

由于大力神杯曲面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，正向建模思路無法實(shí)現(xiàn)，需采用逆向思維建模的方式獲取。逆向建模是當(dāng)今比較流行的建模方式，精度高、操作快捷方便。逆向建模已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各類職業(yè)技能大賽中，如工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)、增材技術(shù)等重要賽項(xiàng)中。整個逆向過程包括三個階段：三維掃描、點(diǎn)云處理、逆向建模。下面詳細(xì)敘述大力神杯的整個逆向建模過程：

(1)三維掃描階段

首先，用專用的顯像劑對大力神杯進(jìn)行噴粉，噴粉過程需要注意以下幾點(diǎn)：①需要噴涂均勻，薄厚一致；②噴涂時，顯像劑距大力神杯25～30 cm噴涂效果最好。噴涂完畢后，粘貼標(biāo)志點(diǎn)(標(biāo)志點(diǎn)需要依據(jù)模型的大小選定)，粘貼時標(biāo)志點(diǎn)不能粘貼在一條直線上，曲面與曲面之間的共有區(qū)域最少共有3個以上標(biāo)志點(diǎn)，以方便兩曲面拼接。噴涂和粘貼完畢之后，利用三維掃描儀[1]進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的提取。掃描時，可以有以下幾個方法：①正反面拼接法。該方法適用于模型大小適中，模型上粘貼有少量的標(biāo)志點(diǎn)，掃描過程中轉(zhuǎn)盤翻面，需借助轉(zhuǎn)盤進(jìn)行正反面的拼接；②整體拼接法。該方法適用于模型較大，并且曲面比較難拼接的模型，模型上需要大量粘貼標(biāo)志點(diǎn)。其次，利用專用的三維掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的提取。

(2)點(diǎn)云處理階段

利用點(diǎn)云處理的專用軟件Geomagic Wrap對提取的點(diǎn)云[2]進(jìn)行處理。對提取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過去除雜點(diǎn)、去除特征、網(wǎng)格醫(yī)生、刪除釘狀物、填充孔等指令進(jìn)行操作，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，另存為“.stl”文件，點(diǎn)云封裝效果如圖1所示。

(3)逆向建模階段

利用逆向建模專用的軟件Geomagic Design X對點(diǎn)云進(jìn)行實(shí)體封裝。首先，將“.stl”文件導(dǎo)入逆向[3]軟件Geomagic Design X中，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型進(jìn)行坐標(biāo)對齊，方便后續(xù)的逆向建模和自動編程。通過面片擬合、布爾運(yùn)算、放樣導(dǎo)向、縫合、拉伸等一系列操作進(jìn)行實(shí)體逆向建模，最終逆向建模模型如圖2所示。

2 大力神杯POWERMILL自動編程

2.1 加工工藝制定

大力神杯曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于典型的多軸數(shù)控加工案例產(chǎn)品，結(jié)合學(xué)生實(shí)踐生產(chǎn)情況，加工設(shè)備選用華中HNC-848B(WG-125)立式加工中心，產(chǎn)品加工工藝表單如表1所示。

2.2 加工策略設(shè)計(jì)

根據(jù)大力神杯加工的特點(diǎn)，利用POWERMILL 2019軟件中的多軸[4]加工模塊的策略功能，依據(jù)如表1所示的零件加工工藝表單對加工過程中的每一步加工策略、驅(qū)動方法、所用刀具、加工參數(shù)設(shè)置、坐標(biāo)設(shè)置、毛坯大小等進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，如表2所示，刀具軌跡如圖3至圖8所示。

表1 大力神杯加工工藝表單

2.3 加工程序的后置處理

后置處理是將CAD/CAM軟件(如UG、Mastercam、POWERMILL等)經(jīng)過一系列的參數(shù)設(shè)置生成的刀具路徑，選用適合當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)的后處理[5]器生成數(shù)控NC代碼。經(jīng)查閱華中HNC-848B(WG-125)機(jī)床操作說明書，查到X、Y、Z、A、C相關(guān)軸的轉(zhuǎn)速范圍、行程參數(shù)等，詳見表3。

表3 五軸聯(lián)動加工中心主要參數(shù)

利用POWERMILL軟件對應(yīng)的后處理器，根據(jù)華中848B-5axis-BC-TT機(jī)床參數(shù)設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如G代碼輸出的單位、相應(yīng)坐標(biāo)軸的行程設(shè)置、A軸和C軸的角度活動范圍，生成的.pmoptz后處理文件。

3 VERICUT整體加工過程仿真

3.1 五軸機(jī)床仿真構(gòu)建

依據(jù)華中HNC-848B五軸聯(lián)動加工中心的實(shí)際結(jié)構(gòu)，在VERICUT8.1.1軟件項(xiàng)目樹[6]中，以控制→機(jī)床→Base→Y→X→B→C→附屬→Fixture→Stock→Design，Base→Z→Spindle→Tool的順序定義五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床各個部位之間的附屬關(guān)系，至此，就完成了機(jī)床運(yùn)動結(jié)構(gòu)的定義。接下來添加機(jī)床幾何模型：在UGNX10.0里面按照實(shí)際的機(jī)床幾何尺寸重建機(jī)床各部件的幾何三維模型文件，并另存為“.STL”格式，隨即將其導(dǎo)入VERICUT仿真軟件中完成各組件的裝配，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)床實(shí)體模型的構(gòu)建。最后，需要在VERICUT仿真軟件中設(shè)置機(jī)床參數(shù)，需要查實(shí)際切削所用的五軸數(shù)控機(jī)床操作說明書，對虛擬機(jī)床進(jìn)行坐標(biāo)系的設(shè)置、機(jī)床行程、干涉檢查等進(jìn)行設(shè)置，尤其需要注意主軸和工作臺之間的間隙，防止加工時由于參數(shù)設(shè)置問題引起碰撞事故。

3.2 整體大力神杯數(shù)控加工過程仿真

在VERICUT軟件中，完成對虛擬機(jī)床的構(gòu)建后，還需要添加數(shù)控仿真所必需具備的夾具、刀具、毛坯、零件模型、G代碼程序等，操作具體步驟如圖9所示。

3.3 仿真結(jié)果分析

大力神杯的整體數(shù)控虛擬仿真過程運(yùn)行結(jié)束后，VERICUT[7]數(shù)控仿真軟件會對仿真過程中出現(xiàn)的語法錯誤、過切、欠切、碰撞等問題進(jìn)行報警顯示。經(jīng)分析，在一次開粗過程中存在將四爪卡盤切傷的現(xiàn)象，通過最后加工出來的模型顯示，大力神杯的長度方向設(shè)置略短些，存在沒有切削完畢的現(xiàn)象。這些問題都會通過二次設(shè)置調(diào)整加工參數(shù)并重新仿真后得到解決。

4 結(jié)語

本文基于對大力神杯進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的提取、處理以及逆向建模，基于POWERMILL軟件中的大力神杯加工模塊完成了整體大力神杯的刀軌生成及后置處理，并輸出G代碼，之后又在VERICUT數(shù)控虛擬仿真軟件中構(gòu)建了華中HNC-848B的機(jī)床模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)置了整體大力神杯的數(shù)控仿真環(huán)境，完成了大力神杯的仿真過程。通過仿真提前發(fā)現(xiàn)了程序設(shè)置的問題，避免在實(shí)際加工中再出現(xiàn)此類問題，提高了加工的準(zhǔn)確率、縮短了工件的加工周期，同時也保證了人身、設(shè)備的安全。