基于逆向工程的玩偶數(shù)控加工技術探討

陳子銀

（江蘇省徐州機電工程高等職業(yè)學校，江蘇 徐州221011）

1 基于Master CAM軟件的數(shù)控加工刀具軌跡的規(guī)劃

1．1 玩偶數(shù)控銑削加工過程

玩偶的數(shù)控銑削加工，就是指在數(shù)控加工中心上對玩偶逆向工程中獲得的曲面進行加工的工藝過程。其主要流程如下：（1）根據(jù)玩偶逆向工程獲得曲面進行工藝分析；（2）用規(guī)定的程序代碼和格式編寫零件加工程序單；（3）程序的輸入或傳輸至MCU；（4）對輸入／傳輸?shù)綌?shù)控單元的加工程序進行試運行和刀具路徑仿真模擬等；（5）通過對機床的正確操作運行程序；（6）完成零件的加工。

1．2 數(shù)控加工刀具軌跡規(guī)劃

在玩偶曲面的CAD／CAM自動編程中，刀具軌跡的生成算法是數(shù)控系統(tǒng)的核心部分，這里我們主要是針對玩偶曲面的三軸數(shù)控加工進行分析。歸納起來，對于玩偶曲面加工，由曲面模型生成無干涉刀位軌跡主要有以下4種策略：曲面模型—偏置面模型—無干涉刀位軌跡；曲面模型—刀觸點軌跡—無干涉刀位軌跡；曲面模型—點陣模型—無干涉刀位軌跡；曲面模型—無干涉刀觸點軌跡—刀位軌跡。

通過分析玩偶曲面的結構特點，結合數(shù)控加工工藝分析及玩偶零件數(shù)控銑削加工前的毛坯供應狀態(tài)，玩偶在數(shù)控加工中心進行銑削加工的工步安排如下：（1）進行玩偶曲面的粗加工，主要目的是去除較大的切削余量；（2）進行玩偶曲面的半精加工和精加工，主要目的是基本滿足加工要求；（3）進行玩偶曲面的交線清角加工，主要目的是滿足所有加工要求。

2 玩偶的數(shù)控加工工藝分析與編程

玩偶曲面的數(shù)控加工編程主要是利用 Master CAM來實現(xiàn)。

（1）玩偶曲面毛坯的設置包括設置工件大小、原點、材料等。因此，設置毛坯大小為100 mm×100 mm×35 mm來定義加工范圍，調整原點位置為（0，10，25），設定此原點位置為編程原點，以此點建立的坐標系即工件坐標系。

在對玩偶曲面進行自動編程分析時，首先遵循的原則是選擇工件或夾具上某一點作為程序的原點，這就是玩偶曲面自動編程過程中的參考坐標系。應用 Master CAM軟件的毛坯設置功能完成玩偶毛坯設置，如圖1所示。

（2）應用Master CAM軟件中的等高外形粗加工方法來實現(xiàn)玩偶曲面的粗加工。操作方法是：采用TOOLPATH命令→SURFACE命令→ROUGH命令→CONTOUR命令對曲面進行等高外形粗加工。通過分析和比較選擇的刀具為直徑6 mm的平頭立銑刀，Z向切深為0．5 mm。這樣獲得的玩偶曲面粗加工刀具路徑軌跡如圖2所示。

圖1 玩偶毛坯設置結果

（3）應用Master CAM軟件中的平行精加工方法來實現(xiàn)玩偶曲面的精加工。操作方法是：采用TOOLPATH命令→SURFACE命令→FINISH命令→PARALLEL命令進行玩偶曲面的半精加工。通過分析和比較選擇的刀具為直徑4 mm的球頭銑刀，切削余量0．5 mm，切削行距1 mm，步長公差0．1 mm。這樣獲得的玩偶半精加工刀具路徑軌跡如圖3所示。

圖3 玩偶半精加工路徑

（4）應用Master CAM軟件中的精加工方法來實現(xiàn)玩偶曲面的精加工。操作方法是：采用TOOLPATH命令→SURFACE命令→FINISH命令→PARALLEL命令進行玩偶曲面的半精加工。通過分析和比較選擇的刀具為直徑2 mm的球頭銑刀，切削行距0．5 mm，步長公差0．05 mm。這樣獲得的玩偶曲面精加工刀具路徑軌跡如圖4所示。

圖4 玩偶精加工路徑

（5）應用Master CAM軟件中的清角精加工方法來實現(xiàn)玩偶曲面相交加工區(qū)域的清角精加工。操作方法是：采用TOOLPATH命令→SURFACE命令→FINISH命令→PENCIL命令對曲面進行交線清角精加工。玩偶曲面清角精加工刀具路徑軌跡如圖5所示。

圖5 玩偶清角加工路徑

玩偶曲面清角精加工的目的是切除粗加工和精加工后兩個相交曲面之間剩余的材料，以達到零件的形狀精度要求。通過玩偶曲面的加工分析，清角加工刀具路徑只產(chǎn)生在相交曲面之間，因此，加工范圍很小，這一點與粗加工和精加工的概念不同。另外，由于是玩偶曲面相交的過渡區(qū)域的加工，清角精加工中一般采用尺寸較小的球銑刀。Master CAM提供了兩種清角精加工方法，即殘料清角（Leftover）和交線清角（Pencil）精加工方法。通過實際分析，這里選擇交線清角精加工方法應用在玩偶曲面加工中。

（6）利用NC UTILIS→VERIFY對上述加工過程進行數(shù)控仿真模擬。Master CAM中設置了一個功能齊全的切削加工仿真器，在屏幕上能預見到實際的加工過程。可動態(tài)模擬刀具運動路徑，控制模擬速度；可實體切削模擬，并測量實際切削完成后成品的各處坐標位置；可計算出實際加工時間；可定義素材形狀，設定刀具不同顏色；可計算并分析圖素。

（7）利用軟件中的NC UTILIS→POST PROC對刀具軌跡文件進行后置處理并生成NC數(shù)控加工程序。在生成刀具路徑的基礎上，可選擇不同型號數(shù)控系統(tǒng)（如FANUC、SIEMENS、MITSUBISHI等）生成符合ISO或EIA標準規(guī)定的G代碼程序，并根據(jù)經(jīng)驗或實際加工條件對程序進行修改，這一過程稱為后置處理。

3 玩偶的數(shù)控加工

玩偶曲面的加工是在JT－855型加工中心上進行的，它采用三軸聯(lián)動。應用該加工中心進行玩偶曲面的加工，既能保證玩偶曲面的加工質量，又能保證加工效率，從而充分發(fā)揮數(shù)控加工中心的優(yōu)勢。圖6為加工中心半精加工玩偶，圖7為加工中心加工玩偶樣品。

圖6 加工中心半精加工玩偶

圖7 加工中心加工所得的玩偶實物

（1）在生成程序前進行后置處理，選擇能生成FANUC系統(tǒng)程序的后置處理文件。然后將 Master CAM軟件生成的數(shù)控加工程序進行適當修改，以完全適應數(shù)控加工中心數(shù)控系統(tǒng)對數(shù)控指令的要求。

（2）使用精密平口鉗或壓板將要加工的玩偶毛坯安裝在加工中心的工作臺上，并進行正確裝夾保證加工要求，以便做好加工前工藝工裝的各項工作。

（3）Master CAM 軟件自身具備數(shù)據(jù)通訊功能，可通過RS232接口將NC程序傳入加工中心的數(shù)控系統(tǒng)，然后正確操作數(shù)控加工中心完成玩偶曲面的加工，并保證加工要求。

通過比較分析加工所得玩偶表面實物，在逆向工程中所得的CAD模型是符合要求的，而且玩偶的制造模型與數(shù)學模型也吻合，但是由逆向工程中重構得到的模型和實物樣件存在一定誤差，主要是由于點云獲取過程中存在一定的失真，但對于形狀要求較高的玩偶零件已經(jīng)滿足要求。另外，由于受加工中所用球頭銑刀和加工步長等因素的影響，加工過程存在一定誤差，但該加工所得實物能滿足實物樣件的要求。

4 結語

本文對玩偶零件的加工方案、編程零點和加工坐標系的確定等工藝進行了闡述和分析比較，并對刀具軌跡進行規(guī)劃。闡述在Master CAM軟件環(huán)境下，如何根據(jù)玩偶曲面的結構特征，編制玩偶的數(shù)控加工程序，才能獲得較高的切削加工效率、較好的成型質量和加工粗糙度。