基于CAXA的藝術(shù)品零件五軸數(shù)控加工研究及應(yīng)用

蘇 鋼 ，段海鋒 ，韓 偉 ，鄧壬章

（1.廣東省工業(yè)高級(jí)技工學(xué)校，廣東 佛山528000；2.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東 廣州510800）

近年來數(shù)控多軸技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用技術(shù)不斷推陳出新，對(duì)應(yīng)的各種數(shù)控加工技術(shù)及加工工藝方法也在不斷更新。與此同時(shí)，在藝術(shù)裝飾品加工生產(chǎn)市場中，也有不少廠家開始引入了多軸數(shù)控加工的方法進(jìn)行藝術(shù)裝飾品的生產(chǎn)加工（如在數(shù)控雕刻機(jī)上進(jìn)行浮雕和玉石的批量加工）。但由于數(shù)控雕刻機(jī)是三軸加工機(jī)床，對(duì)于立體的藝術(shù)裝飾品零件有較大的局限性，因此，近兩年來部分精品藝術(shù)生產(chǎn)企業(yè)又開始探索用五軸加工中心機(jī)床進(jìn)行藝術(shù)品零件的加工。

CAXA軟件作為已經(jīng)普遍應(yīng)用的五軸數(shù)控加工編程軟件，在藝術(shù)品零件數(shù)控加工中也得到了廣泛應(yīng)用，其中三軸數(shù)控機(jī)床編程時(shí)使用的刀具庫設(shè)定應(yīng)用、安全高度、切削參數(shù)和計(jì)算精度設(shè)定等共同設(shè)定項(xiàng)目在五軸加工編程時(shí)也得到了延續(xù)應(yīng)用，使編程人員很容易從三軸編程過渡到多軸編程應(yīng)用[1]。本文將探討如何應(yīng)用CAXA對(duì)中國傳統(tǒng)典型藝術(shù)品—六角亭零件進(jìn)行加工。

與常見的機(jī)械產(chǎn)品數(shù)控設(shè)計(jì)加工工藝流程不同的是，藝術(shù)品零件的三維建模圖形大都來源于逆向工程測量數(shù)據(jù)，采用掃描的方法得到其模型，再根據(jù)需要縮放便可得到其三維模型數(shù)據(jù)，因而幾何形狀往往是非參數(shù)化的不規(guī)則復(fù)雜曲面形狀[2]；在加工編程時(shí)需要根據(jù)其結(jié)構(gòu)形狀特點(diǎn)選擇相對(duì)應(yīng)的五軸編程策略、刀具傾斜形式和刀軸控制方式，具體詳述如下。

1 藝術(shù)品零件五軸加工的方法和工藝

如圖1所示圖形即為六角亭的工程圖，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，尤其是前后左右上下都有較為復(fù)雜的非典型幾何形狀，如果僅僅用三軸加工機(jī)床來加工的話則容易出現(xiàn)裝夾困難，策略復(fù)雜以及形狀錯(cuò)位等問題，而在五軸數(shù)控加工時(shí)，刀具軸的擺角變化是通過旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、擺動(dòng)主軸以及上述兩種組合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，編程時(shí)需要根據(jù)加工幾何對(duì)象的形狀，選擇合理的編程策略、擺角變化形式和刀軸控制方式才能進(jìn)行合理的刀位點(diǎn)計(jì)算，從而生成正確的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡[5]。

圖1 典型藝術(shù)產(chǎn)品六角亭的3D圖

根據(jù)產(chǎn)品的形狀，結(jié)合CAXA軟件編程的特點(diǎn)，其工藝流程如下圖2所示，加工工藝路線分成上部和下部兩部分，兩個(gè)部分分別需要分成正、反兩面裝夾兩次加工，每部分都由5個(gè)具體編程策略完成，然后通過選擇機(jī)床生成后處理程序，生成加工的具體G代碼進(jìn)行加工，具體過程如圖2.

圖2 六角亭藝術(shù)品零件的加工策略工藝流程

1.1藝術(shù)品零件三軸加工部分的編程及工藝規(guī)劃

加工前先進(jìn)行工藝路線規(guī)劃設(shè)計(jì)，找出產(chǎn)品幾何特征及相應(yīng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，按照三軸加工、四軸加工和五軸加工對(duì)不同的幾何部位依次分類，充分運(yùn)用CAXA軟件的圖層功能、顏色設(shè)置將不同的加工特征劃分保存，將不同的加工工序用不同的顏色表示并存儲(chǔ)在不同的圖層，方便編程時(shí)清晰觀察，提高加工編程效率。首先應(yīng)用一般三軸加工編程方法及工藝，規(guī)劃完成零件可以用三軸編程手段解決的幾何部位加工，如圖3所示。

圖3 六角亭零件用三軸編程加工完成的主要內(nèi)容

需要注意的是，可以用三軸編程加工手段完成的幾何加工部位應(yīng)該盡量先使用三軸編程加工完成，此類加工一般都是去除零件外圍多余材料部分的加工，使用的方法一般為二維平面輪廓加工和等高線粗加工，這些二維編程策略方法的刀具路徑計(jì)算簡單，加工工藝簡便，效率更高，圖3中所示的a、b、c和d四個(gè)程序均為三軸編程手段完成的加工內(nèi)容。而對(duì)于如圖4所示六角亭子的六個(gè)側(cè)面挖空形狀，如果用五軸多面程序加工，刀路復(fù)雜而且程序計(jì)算量很大，而使用如圖4所示的定向面之后的平面輪廓加工，就如同三軸加工一樣簡單，節(jié)省了效率。

圖4 空間輪廓轉(zhuǎn)為定向面加工

1.2藝術(shù)品零件五軸加工部位的編程

如前所述，與一般機(jī)械零件加工相比，藝術(shù)品零件的曲面往往不是通過三維建模軟件參數(shù)化構(gòu)建而成，因此常常其曲面形狀常常是來源于逆向工程掃面得到的非典型幾何數(shù)據(jù)圖形，這就需要編程者仔細(xì)觀察區(qū)，曲面形狀，將各部分形狀與CAXA軟件五軸加工編程的策略對(duì)應(yīng)聯(lián)系，不同的部位選擇不同的曲面加工策略，如圖5所示亭子上部曲面劃分成頂部圓珠體、裝飾飛檐和六棱邊曲面三部分，分別使用了等五軸曲線加工、五軸等高線精加工和五軸平行加工三種編程方法進(jìn)行編程加工。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖5 五軸編程加工工藝內(nèi)容

在以上e、f、g和h加工步驟中，五軸加工編程時(shí)特別需要仔細(xì)注意刀具空行程進(jìn)刀和加工完之后的退刀路徑，在三軸加工時(shí)出于安全考慮，往往會(huì)習(xí)慣將進(jìn)、退刀幾何路徑設(shè)定較大數(shù)值，但在五軸加工時(shí)刀具與零件的空間位置轉(zhuǎn)化為多維度關(guān)系，進(jìn)、退刀行程必須加工前后的相互空間關(guān)系具體設(shè)定，并非退出越遠(yuǎn)越安全，以免發(fā)生刀具與零件相互碰撞的事故。

1.3五軸加工策略應(yīng)用及主要編程設(shè)定內(nèi)容

弄清五軸加工時(shí)的刀具軸矢量定義，理解刀具軸的擺角變化是五軸加工的首要基礎(chǔ)，五軸加工的關(guān)鍵技術(shù)之一是刀具軸的矢量（刀具軸的軸線矢量）在空間是否發(fā)生變化，而刀具擺角變化是通過擺動(dòng)工作臺(tái)或主軸的擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于矢量不發(fā)生變化的固定軸銑削場合，五軸加工關(guān)鍵就是通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢量與機(jī)床原始坐標(biāo)系構(gòu)成空間某個(gè)角度，利用銑刀的側(cè)刃或底刃切削加工來完成[3]。CAXA軟件五軸編程具有十多種方法，如何找出對(duì)應(yīng)與零件特定曲面形狀的編程策略、使用合理的刀軸擺角控制方式是編程的核心工作，如圖6所示。

圖6 CAXA軟件刀軸設(shè)定

CAXA軟件具有豐富的加工策略和刀軸控制方式組合，在刀軸控制策略應(yīng)用設(shè)定時(shí)，應(yīng)根據(jù)零件具體加工部位的幾何特征進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，如圖7中第二種：“基于走刀方向的刀軸接觸”方法，即是應(yīng)用在五軸平行加工兩種加工策略時(shí)的刀軸矢量控制設(shè)定，能使刀具矢量軸根據(jù)刀具路徑上的每個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)來靈活確定刀軸當(dāng)前傾斜角度，從而加工出順滑過渡的曲面[4]。

圖7 過渡縫合擬合值設(shè)定

由于藝術(shù)品零件的曲面構(gòu)成常常是多個(gè)非參數(shù)化復(fù)雜曲面組合而成的，實(shí)際加工的插補(bǔ)擬合數(shù)值往往與上面計(jì)算的有出入，五軸加工時(shí)的多數(shù)采用刀具傾斜加工方式擴(kuò)大刀具與工件的接觸面，也會(huì)通過空間零件曲面之間的公差擬合過渡進(jìn)行計(jì)算，其次，切削過程中零件對(duì)刀具的抗力會(huì)造成加工時(shí)本身已經(jīng)傾斜的刀具微量地偏離加工面，在兩個(gè)相鄰刀位點(diǎn)之間產(chǎn)生附加軌跡點(diǎn)引起過切或欠切誤差，因此CAXA軟件的計(jì)算兩個(gè)曲面之間的刀具路徑時(shí)需要指定過渡縫合擬合值，如圖7所見。通過過渡擬合值的補(bǔ)償計(jì)算達(dá)到順滑曲面的加工結(jié)果。

2 藝術(shù)品零件五軸加工編程的后處理設(shè)定及程序生成

不同廠家生產(chǎn)不同結(jié)構(gòu)的五軸數(shù)控機(jī)床必須使用各自規(guī)定的后處理驅(qū)動(dòng)程序，生成不同格式的加工程序，在完成了程序邊之后還需要進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)類型選定及程序后處理參數(shù)設(shè)置。如圖8所示即為選擇沈陽機(jī)床廠生產(chǎn)并采用廣州數(shù)控25I系統(tǒng)生成的五軸加工程序，機(jī)床的結(jié)構(gòu)采用了立式搖籃式五軸加工中心機(jī)床，機(jī)床的五個(gè)軸分別是：X、Y、Z、A和C軸，故其程序中可見上述五個(gè)軸的坐標(biāo)句段。

圖8 后處理設(shè)定所生成的程序

3 結(jié)束語

五軸數(shù)控加工中心刀具和零件可以有更多更靈活的相對(duì)位置，從而便形成了更多更先進(jìn)的刀軸控制方式，圖5所示的2013版CAXA五軸編程菜單中，共有21種五軸加工編程的策略，這使得CAXA在加工曲面形狀不規(guī)則的藝術(shù)品零件時(shí)具有更大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，隨著現(xiàn)代智能技術(shù)的快速發(fā)展，各種更智能更先進(jìn)的數(shù)控編程加工技術(shù)及軟件層出不窮，還需要在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷探索和研究。

參考文獻(xiàn)：

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