人體骨骼模型五軸數控加工工藝

張江華，姜毅，胡青，蔣云清，胡珊

南昌工學院 江西南昌 330108

1 序言

人體骨骼模型加工的質量將直接影響到醫學治療的效果。目前，國內3D打印技術較為成熟，但是由于受材料、加工成本的影響，尚未進行全面普及，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題。本研究采用CT（計算機斷層掃描）獲得的人體骨骼圖像，通過UG軟件完成對人體骨骼模型的建模。人體骨骼模型如圖1所示，結合PowerMILL軟件編制出加工刀具路徑（見圖2），并進行后置處理，生成數控機床能夠識別的NC代碼，然后基于Vericut仿真軟件，模擬刀路軌跡的正確性，對NC代碼進行驗證，最后采用i5系統AC搖籃式五軸聯動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間，提高了生產效率與工件質量，而且降低了醫療成本。

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UG三維逆向生成，產品的最大外形尺寸為φ78mm×80mm（不含底座），模型中曲面和圓弧過渡較多。試驗選用毛坯型材為φ80mm尼龍棒，選用型號為i5M8.4的五軸數控機床，最高轉速12000r/min、穩定精度可達0.005mm，滿足產品質量要求。

人體骨骼模型加工工藝卡及PowerMILL加工參數設置見表1。人體骨骼模型的加工工藝策略分為：模型區域清除（三軸定軸毛坯加工）、旋轉精加工（四軸基座精加工）、模型殘留區域清除（3+2軸半精加工）、點投影精加工和直線投影精加工（五軸聯動精加工）。

表1 人體骨骼模型加工工藝卡及PowerMILL加工參數設置

3 三軸定軸粗加工

三軸定軸粗加工如圖3所示，采用模型區域清除的加工策略進行模型粗加工。通過固定刀軸方向和A/C軸旋轉角度的方法，使五軸機床轉變成傳統三軸立式加工中心進行開粗，提高了加工效率。以Post2為加工坐標系并加工第二側面毛坯時，當刀具加工至中間薄壁位置時，由于模型底部沒有足夠的支撐，刀具會因機床振動而出現振刀、彈刀現象，影響模型加工質量，且無法加工第三側面和第四側面的殘余，因此改進工藝，將模型劃分成4個區域進行加工。以Post1、Post2為加工坐標系加工時，應單邊限制刀具加工至模型中心上方20～30mm的距離，此時以Post2為加工坐標系加工第二側面時，底部存在加工第一側面預留的20～30mm的距離，以及第二側面自身加工預留的20～30mm的距離，加工時底部有了足夠厚度（約40～60mm）的支撐，刀具不會出現振刀、彈刀現象。然后以Post3、Post4作為加工坐標系加工第三側面和第四側面，并加工至中心線以下2～5mm，保證模型完整去除毛坯部分。加工第三側面和第四側面時，由于模型自身作為支撐，則不會出現振刀、彈刀現象，從而提高了人體骨骼模型的加工效率與加工質量。

圖3 三軸定軸粗加工

4 3+2軸定軸半精加工

以i5系統AC搖籃式五軸聯動數控加工中心為例，3+2軸加工方式的本質是將五軸聯動數控加工中心的工作臺變為固定方向、固定角度，刀具軸向不再變化，對模型3D型面進行加工。3+2軸半精加工如圖4所示。采用A/C兩個旋轉軸先將人體骨骼模型固定在一個傾斜位置（見圖4a），即A/C軸工作臺根據人體骨骼模型型面的需要轉到A－45°，C＝DC（0°），再由刀具沿X、Y和Z方向進給進行加工。當加工完當前區域后，再根據加工需要，調整A/C軸角度繼續進行其他區域的加工。

曲面的3+2軸加工如圖4b所示。其中vf為進給速度，α為刀軸與切削表面法向矢量傾角。3+2軸數控加工方式是把曲面當作近似的平面進行加工，通過將刀具軸向傾斜一個角度，以避免零切削速度加工，從而獲得理想的加工效果。通過機床A/C軸回轉臺定義空間中的旋轉工作平面，在此工作平面可以進行2D或3D加工編程操作，合理設置其他參數，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 五軸聯動精加工

人體骨骼模型形狀不規則，曲面分布無規律，側面扭曲程度較大，頂部骨骼存在倒扣區域，如果采用傳統的三軸機床進行加工，則需要多套專用工裝夾具，并重復進行拆卸、裝夾和定位，無法保證加工質量，且加工效率低。i5系統AC搖籃式五軸聯動數控加工中心各軸運動方向如圖5所示，采用五軸聯動進行加工，模型裝夾一次即可完成所有工序的加工，減少了拆卸、裝夾、定位次數及配套的工裝夾具，提高了加工效率與加工質量。PowerMILL提供了5種投影精加工策略，分別是：點投影精加工、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。根據人體骨骼模型的結構特點，分別采用點投影精加工和直線投影精加工。

圖5 i5系統AC搖籃式五軸聯動數控加工中心各軸運動方向

6 程序的生成

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

圖6 后處理時NC參數選擇

7 Vericut仿真及數控加工

采用與i5系統AC搖籃式五軸聯動數控加工中心相匹配的后處理，經后處理器生成機床可識別的NC代碼，為了確保NC代碼的可行性和正確性，需要通過Vericut仿真軟件進行模擬仿真，仿真驗證無干涉、過切及欠切等現象。圖7為人體骨骼模型仿真后的光亮陰影圖像，驗證無誤后，通過DNC（Distributed Numerical Control）直接數字控制傳輸到數控機床進行人體骨骼模型加工。加工后的人體骨骼模型產品實物（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品實物

8 結束語

本項目依托南昌工學院校級課題（項目編號：NGKJ-20-10）和江西省教育廳科學技術研究項目（項目編號：GJJ202503）進行研究。根據現代智能制造加工的特點，以人體骨骼模型五軸聯動數控加工為研究對象，通過UG逆向生成三維模型，采用PowerMILL進行五軸加工刀具路徑的編寫，生成加工刀具軌跡。經過i5系統專用五軸后處理器生成NC代碼文件，通過Vericut仿真驗證后，應用i5系統AC搖籃式五軸聯動數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人體骨骼模型四面進行開粗，提高了產品在加工時的剛度，減少了因振動而引起的彈刀現象；3+2軸定軸半精加工切除了三軸定軸粗加工無法加工的倒扣區域，減少了產品的殘余加工量，為后續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受力均勻，從而提高了加工效率與加工質量，同時也為其他類似產品的加工提供了借鑒。