基于CAXA和Vericut的回轉體軸面雕刻技術的開發研究

陳銀

（浙江經貿職業技術學院應用工程系，浙江 杭州 310018）

數控雕刻技術經過多年的發展，應用已經越來越廣泛，目前常見的雕刻技術主要有平面雕刻和曲面雕刻。顧名思義，平面雕刻主要在平面上進行雕刻加工，其主要應用于廣告雕刻行業，只要配備二軸半或三軸聯動的小型機床即可實現。而曲面雕刻主要應用在一定曲率變化的曲面上進行雕刻，其加工深度是在不斷的變化，一般需要三軸聯動的機床才能實現，其缺點是不能保證每一點的切入方向都是垂直于曲面，曲面變化越大，其加工精度和效果所受到的影響就越大，而現在隨著產品的要求越來越高，如在任意回轉體表面進行雕刻，以上兩種雕刻技術都不能滿足要求，就需要借助功能更加強大的多軸加工技術和相應設備才能實現。作為我國自主研發的CAD/CAM軟件--CAXA制造工程師，雖然并不是專業的雕刻軟件，但若巧妙的利用某些功能也可實現多軸的雕刻功能，以下以任意回轉體的軸面雕刻進行闡述。

1 軸面雕刻元素設計

1.1 平面元素設計

考慮到常用的雕刻元素一般以圖形和文字為主，本例以二者元素為例。如圖1，需在一個圓柱體的軸面上進行相關圖形和文字的設計，若直接在軸面上進行設計很難實現，但若把軸面展開，放在展開后的圓周平面上進行排版設計，如圖2，就相對容易的多，便于實現，具體數據見表1。

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圖1：回轉體

圖2：回轉體展開面

其中，此例選用的圖形為特殊的二維玫瑰公式曲線，設計者也可自行畫任意圖形元素。圓柱展開面即為平面設計的邊界，即2*∏ *R=2*3.14*60=376.8，這樣設計便于把平面元素完全投影到圓柱軸面上。

1.2 投影

在CAXA制造工程師軟件中，有非常方便的命令--線面映射，可以將平面元素投影到圓柱軸面上。

CAXA軟件提供的"線面映射"功能主要用于將X-Y平面上的曲線以纏繞方式映射在曲面上，具體操作如下：

a、選擇線面映射 ，拾取X-Y平面內的映射曲線與曲面，拾取映射曲線上的參考點（最低點）與曲面上與曲線中的對應點；

b、鼠標左鍵調整坐標軸方向，該坐標軸方向一般為原坐標軸曲線沿起始點映射到曲面后的坐標軸及方向；

c、生成三維映射曲線，如圖3。

此例的平面字元素為正體，投影到軸面上后變為鏡面反體，若需在軸面上為正體，運用鏡像功能即可實現。

2 軸面雕刻加工

2.1 CAXA刀軌生成

在對雕刻元素設計完成后，調用CAXA制造工程師的四軸加工功能，根據加工方案的要求，設置零件毛坯、刀具特征及相關參數，即可在軸面上進行回轉體的雕刻加工。

2.1.1 選擇加工方法

本例選用四軸柱面曲線加工功能，其主要用于回轉體上加工槽，但經過合理的參數設定后，其刀軌亦可用于線性雕刻，銑刀刀軸始終垂直于第四軸的旋轉軸，保證軸面上雕刻的一致性和準確性，如圖4所示。

圖3：線面映射

圖4：四軸柱面曲線加工

2.1.2 設置參數 見圖5

a、旋轉軸

X軸：機床第四軸繞X軸旋轉，生成加工代碼角度地址為A；

Y軸：機床第四軸繞Y軸旋轉，生成加工代碼角度地址為B；

b、加工方向

生成四軸加工軌跡時，下刀點與拾取曲線的位置有關，在曲線的哪一端拾取，就會在曲線的哪一端點下刀。生成軌跡后如果想改變下刀點，則可以不用重新生產軌跡，而只需要雙擊軌跡樹中的加工參數，在加工方向中的"順時針"和"逆時針"二項之間進行切換即可改變下刀點。c、加工精度

加工誤差：輸入模型的加工誤差，計算模型的軌跡的誤差小于此值。加工誤差越大，模型形狀的誤差也增大，模型表面越粗糙。加工精度越小，模型形狀的誤差也減小，模型表面越光滑，但是，軌跡段的數目增多，軌跡數據量變大。

加工步長：生成加工軌跡的刀位點沿曲線按弧長均勻分布。當曲線的曲率變化較大時，不能保證每一點的加工誤差都相同。

d、走刀方式

單向：在刀次大于1時，同一層的刀跡軌跡沿著同一方向進行加工，這時，層間軌跡會自動以抬刀方式連接。精加工時為了保證槽寬和加工表面質量多采用此方式。

往復：在刀具軌跡層數大于1時，層之間的刀跡軌跡方向可以走一個行間進給，繼續沿著原加工方向相反的方向進行加工的。加工時為了減少抬刀，提高加工效率多采用此種方式。

e、偏置選項

用四軸曲線方式加工時，有時也需要像平面輪廓加工那樣，對輪廓寬度做一些調整，以達到圖紙所要求的尺寸。這樣我們可以通過偏置選項來達到目的。

①曲線上：銑刀的中心沿曲線加工，不進行偏置。

②左偏：向被加工曲線的左邊進行偏置。左方向的判斷方法與G41相同，即刀具加工方向的左邊。

③右偏：向被加工曲線的右邊進行偏置。右方向的判斷方法與G42相同，即刀具加工方向的右邊。

④左右偏：向被加工曲線的左邊和右邊同時進行偏置。

⑤偏置距離：輸入的該數值確定偏置的距離。

⑥刀次：當需要多刀進行加工時，輸入刀次。給定刀次后總偏置距離=偏置距離×刀次。

圖5：加工參數設置

圖6：刀路軌跡

圖7：G代碼

2.1.3 軌跡生成

根據提示，連續拾取相關元素和加工方向，即可生成如圖6所示刀具加工軌跡。

2.1.4 后置處理

生成加工代碼時后置選用FANUC_4axis_A，生成的代碼如圖7所示。

2.2 Vericut虛擬加工驗證

目前CAXA制造工程師軟件只能提供線框仿真，不支持多軸加工的實體驗證功能，為了減少出錯幾率，正式加工前進行模擬加工是非常必要的，Vericut采用先進的三維顯示及虛擬制造技術，對數控加工過程尤其是多軸的加工模擬達到了極其逼真的程度，并且能模擬機床的運動過程和虛擬的工廠環境，以檢查數控加工過程中可能存在的問題，其整個仿真過程過程包含程序驗證、分析、機床仿真、優化和模型輸出。從而減少了零件的重新試切過程，避免了因出現報廢產品而造成的損失。基于Vericut進行虛擬環境下的模擬加工步驟如下：調用相應有機床和控制系統、定義毛坯、創建加工坐標系、創建刀具或調用已經創建好的刀具、按照加工工藝順序添加數控程序、設定對刀方式、虛擬切削驗證。分別見圖8、9、10。

圖8：Vericut相關設置

圖9：Vericut自建機床

圖10：Vericut虛擬切削

結語

巧妙地使用CAXA制造工程師的四軸柱面曲線加工功能，可以實現回轉體軸面的雕刻加工，不僅使CAXA多軸加工的功能得到更廣闊的應用，而且充分開發了多軸數控機床的加工性能，結合功能強大的Vericut數控虛擬切削仿真軟件，減少了實際加工出錯的幾率，更優化了刀路軌跡，使零件的加工精度和加工效率得到了提高，今后，數控多軸的加工將應用于更廣泛的領域。

[1]李建春.CAXA制造工程師在四軸零件加工中的應用研究[J].CAD/CAM與制造業住處化，2010.

[2]王占平，李雪薇.基于CAXA和VERICUT的葉輪仿真加工研究 [J].新技術新工藝，2009.

[3]宋放之.數控機床多軸加工技術實用教程[M].北京：清華大學出版社，2010.