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

呂彎彎

(河南應用技術職業學院機電工程學院，河南 鄭州 450042)

0 引言

科學技術的飛躍發展，不僅帶動了經濟的發展，更是推動了工業技術有了質的飛越。比如出現了增材技術(如3D打印)，種類之繁多、精度之高；多軸機床(如德瑪吉)，國內也設計生產了小型或者桌面簡易款的多軸機床；逆向工程技術的出現是工業發展史上又有了一次質的飛越，可以使形狀復雜、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行獲取。

POWERMILL是一款專業的數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特的優點，并為用戶提供了多種加工策略。

VERICUT是經美國CGTECH公司專為數控加工技術量身打造的一款仿真模擬兼仿真優化的軟件。該款數控仿真模擬軟件主要具備以下兩大功能：仿真驗證功能和仿真優化功能。仿真驗證功能主要解決了采用試切法加工時所產生的各種弊端，既節約了生產所需要的加工成本，同時也減少了生產周期，提高加工效率。仿真優化功能主要優化了銑削加工過程中各個參數的設置，從而提高了產品的最終加工質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構比較復雜，正向建模思路無法實現，需采用逆向思維建模的方式獲取。逆向建模是當今比較流行的建模方式，精度高、操作快捷方便。逆向建模已經被廣泛應用于各類職業技能大賽中，如工業設計技術、增材技術等重要賽項中。整個逆向過程包括三個階段：三維掃描、點云處理、逆向建模。下面詳細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行噴粉，噴粉過程需要注意以下幾點：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，粘貼標志點(標志點需要依據模型的大小選定)，粘貼時標志點不能粘貼在一條直線上，曲面與曲面之間的共有區域最少共有3個以上標志點，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]進行點云數據的提取。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志點，掃描過程中轉盤翻面，需借助轉盤進行正反面的拼接；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志點。其次，利用專用的三維掃描儀進行點云數據的提取。

(2)點云處理階段

利用點云處理的專用軟件Geomagic Wrap對提取的點云[2]進行處理。對提取的點云數據經過去除雜點、去除特征、網格醫生、刪除釘狀物、填充孔等指令進行操作，對點云數據進行處理，另存為“.stl”文件，點云封裝效果如圖1所示。

(3)逆向建模階段

利用逆向建模專用的軟件Geomagic Design X對點云進行實體封裝。首先，將“.stl”文件導入逆向[3]軟件Geomagic Design X中，對點云數據模型進行坐標對齊，方便后續的逆向建模和自動編程。通過面片擬合、布爾運算、放樣導向、縫合、拉伸等一系列操作進行實體逆向建模，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

大力神杯曲面結構復雜，屬于典型的多軸數控加工案例產品，結合學生實踐生產情況，加工設備選用華中HNC-848B(WG-125)立式加工中心，產品加工工藝表單如表1所示。

2.2 加工策略設計

根據大力神杯加工的特點，利用POWERMILL 2019軟件中的多軸[4]加工模塊的策略功能，依據如表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、驅動方法、所用刀具、加工參數設置、坐標設置、毛坯大小等進行了詳細的規劃設計，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)經過一系列的參數設置生成的刀具路徑，選用適合當前數控系統的后處理[5]器生成數控NC代碼。經查閱華中HNC-848B(WG-125)機床操作說明書，查到X、Y、Z、A、C相關軸的轉速范圍、行程參數等，詳見表3。

表3 五軸聯動加工中心主要參數

利用POWERMILL軟件對應的后處理器，根據華中848B-5axis-BC-TT機床參數設置相關參數，如G代碼輸出的單位、相應坐標軸的行程設置、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 五軸機床仿真構建

依據華中HNC-848B五軸聯動加工中心的實際結構，在VERICUT8.1.1軟件項目樹[6]中，以控制→機床→Base→Y→X→B→C→附屬→Fixture→Stock→Design，Base→Z→Spindle→Tool的順序定義五軸聯動數控機床各個部位之間的附屬關系，至此，就完成了機床運動結構的定義。接下來添加機床幾何模型：在UGNX10.0里面按照實際的機床幾何尺寸重建機床各部件的幾何三維模型文件，并另存為“.STL”格式，隨即將其導入VERICUT仿真軟件中完成各組件的裝配，實現虛擬機床實體模型的構建。最后，需要在VERICUT仿真軟件中設置機床參數，需要查實際切削所用的五軸數控機床操作說明書，對虛擬機床進行坐標系的設置、機床行程、干涉檢查等進行設置，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設置問題引起碰撞事故。

3.2 整體大力神杯數控加工過程仿真

在VERICUT軟件中，完成對虛擬機床的構建后，還需要添加數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 仿真結果分析

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

4 結語

本文基于對大力神杯進行點云數據的提取、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數控虛擬仿真軟件中構建了華中HNC-848B的機床模型，在此基礎上設置了整體大力神杯的數控仿真環境，完成了大力神杯的仿真過程。通過仿真提前發現了程序設置的問題，避免在實際加工中再出現此類問題，提高了加工的準確率、縮短了工件的加工周期，同時也保證了人身、設備的安全。