基于萨克斯哨片的不规则曲面加工研究

基于萨克斯哨片的不规则曲面加工研究 不规则曲面件是工程技术界广泛应用的一大类零件，顾名思义， 其最典型的特点是形状不规则，故设计制造均比较麻烦。萨克斯哨 片是单簧管萨克斯的发声件，属于不规则曲面件，其材料是木质(芦 竹)。传统的加工方法是用普通机械加工或手工加工，加工精度及速 度均受到一定的限制。多年来，我国主要从国外进口萨克斯哨片以 满足使用者的要求，也有一些萨克斯使用者自己手工制作哨片。随 着我国人民生活水平的提高，萨克斯哨片的需求量也越来越大，数 控加工技术越来越成熟.故对萨克斯哨片的自动设计和加工原理及方 法进行研究，具有相当的必要性和切实的可行性。本文介绍使用 CATIA 软件，以萨克斯哨片为例，建立哨片三维实体模型，并进行 加工过程的仿真，经过后置处理生成数控代码的原理及方法。 1 不规则曲面加工方法研究 1.1 靠模仿形加工 靠模仿形加工是以预先制成的靠模为依据，加工时触头对靠模 表面施加一定的压力，并沿靠模表面移动，通过仿形结构使刀具作 同步仿形动作，从而在模具零件上加工出与靠模型面相同的反向型 面。只要在普通的机床上装上仿形机构.根据已经制作好的模型就可 以进行仿形加工。这种方法适合加工复杂的零件表面，然而这种加 工方法必须要有模型才能加工，只能一比一的复制，不能为同类产 品的设计提供数字信息。 1.2 逆向工程加工 逆向工程(Reverse Engineering，RE)技术是针对现有物体，特 别是具有不规则曲面的物体，利用三维数字化测量仪器测量出轮廓 坐标值，构建曲面，经过对曲面的过渡、缝合等操作建立模型，然 后将模型转至一般的 CAD/CAM 系统进行仿真，再由加工中心进行加 工制造，或采用快速成型技术制造样品模型或零件。采用这种方法， 设计人员除了可以复制同类产品之外，也可获得产品特征信息，并 根据需求进行一定的改进和设计。故而在文物复原、创新设计中应 用较多。类似萨克斯哨片这样的产品，同一种大小的哨片有不同的 规格，适合不同基调，就适合用这种方法进行设计加工。 1.3 数控仿形加工 数控仿形加工是介于逆向工程和靠模仿形加工之间。对于实物 模型数字化测量得到的空间散乱数据拓扑结构不统一、CAD 模型重 建难以实现、后续的曲面裁剪、曲面变换等计算困难的情况，势必 影响最后的数控加工和加工精度。因此，直接将散乱扫描数据点生 成数控加工代码进行加工，这种基于测点数据的直接数控仿形加工 方法，具有操作简单、计算稳定、加工效率高等优点。但同时也存 在仿形加工的缺点，虽然数控仿形可获得模型的特征信息，但仍然 只能一比一完全复制，而无法应用 CAD/CAM 技术进行设计和改善。 2 不规则曲面件模型创建 在逆向工程中，所创建的模型形状好坏直接关系到产品加工仿 真的精确性，因而模型创建是非常重要的环节。随着逆向工程技术 的发展，各种软件处理曲面的能力越来越强大，其中 CATIA、NX 等 曲面造型软件比较常用，本文用 CATIA 软件进行模型创建。 2.1 不规则曲面模型的创建方式 2.1.1 点云一面 这种方法是由点云直接拟合得到曲面片，曲面片再经过过渡、 修剪、缝合等方式形成完整曲面。以三角化点云、B 样条曲面、 NURBS 曲面的插值和逼近等数学方法得以实现。这种直接拟合的方 式计算量大，对点云数据要求高，点云数据的好坏直接影响了曲面 的质量。在不规则曲面重建中应用较多，特别是文物复原无法用一 般建模方式得到曲面时使用，建模过程中不包含特征信息。 2.1.2 点-曲线-面 它是依据逆向工程的数字化测量方法得出的数据，得到模型的 特征信息，再根据设计者对模型的要求，建立草图，绘制控制点， 由点进行插值或拟合得到样条或者参数化曲线作为截面线、轮廓线 等特征线，再由这些特征曲线经过放样、拉伸、旋转、扫掠等多种 曲面构建方式得到曲面，最后再将这些曲面进行修剪，过渡和拉伸 得到完整的模型。这种方式类似正向建模，要求设计人员对模型的 特征比较了解，可必通过控制点来修改曲面。虽然这样建立的模型 不会与原模型完全相同，但是类似萨克斯哨片这样同种大小有不同 规格的产品。需要得到特征信息，以便设计人员进行修改。 2.2 萨克斯哨片模型创建 萨克斯哨片的剖面线图如图 1 所示。 A-A 侧面图的曲线变化较为平缓，B-B 断面图的曲线曲率增大， C-C 断面图的曲率更大。在模型重建时，本文采用“点-曲线-面” 的方式来进行拟合。运用 CATIA 中的常规曲向设计命令，根据所测 得的数据进行特征剖面线的创建，将所有的剖面线依次绘制，得出 整体的曲线结果，经过 CATIA 拟合之后，对各条曲线进行调整和修 改，使整个轮廓面光滑通顺，并符合对萨克斯哨片的要求，萨克新 哨片的曲面如图 2 所示。 3 不规则曲面仿真加工 自由曲面没有规律可循，一般的加工方法是无法实现的，随着 数控技术的发展，人们逐渐采用数控加工的办法，但是手工编程需 要不断修正，繁琐费时，于是设计员通常先在软件内设置加上参数 进行数控仿真，并对仿真的结果进行分析和改进，由软件自动生成 数控代码，输入数控机床进行加工。这样一来，整个生产过程就大 大缩短。如计算机模拟中出现了问题.也可以很快解决。目前， Pro/E、CATIA 各 NX 等三维软件都可以进行数控的仿真加工。下面 以萨克斯哨片为例，用 CATIA 软件来进行仿真。 3.1 加工要素设定 仿真加工时，其留下需婴加工的部分(即图 2 中黑色弧线前的部 分)。首先创建加工毛坯，大小应与模型加工部分大小相同，再通过 图 3 所示的 Pan Operation(零件操作)对话框。设置各项加工要素， 包括数控机床、参考坐标系、关联的加工部件和几何体等内容。在 图中依次选取加工对象和加工机床之后，将坐标原点设定为图 2 右 端面底面的中点，将坐标系改为数控机床的加工坐标系，各坐标轴 的方向与数控机床各坐标轴方向一致。 3.2 CATIA 加工仿真 在 CATIA 命令中，曲面粗加工方式分为投影粗加工和等高线粗 加工，半精加工和精加工方式相同，有投影加工、清根加工、等高 线加工、轮廓驱动加工、沿面加工、螺旋加工、以及型腔铣削加工、 钻孔加工等。 由于哨片曲面的特殊性，在加工哨片时选用投影加工的方式， 由于加工对象是芦竹，刀路选择一次成型。点选图标，可以设置刀 具的进退刀路路径。设定好各项参数之后，进行刀路仿真，CATIA 就能够自动生成仿真刀路，如图 4 所示。 3.3 数控程序生成 刀路仿真结束之后，通过后置处理将数控刀具路径转换为数控 机床可以识别的数控程序(NCProgram)。CATIA 提供了 Batch mode(批处理模式)和 Interactively mode(交互处理模式)两种输出 方法。数控程序的类型主要有：刀具位置文件、刀位源文件、NC codP(数控程序)、In ProcessModel(图形处理文件)。在特征树中选 择 Manufacturings Program.i 结点，在弹出的菜单中选择 Generate NC Code Interactivealy(交互式生成数控程序)命令，系 统弹出如图 5 所示的 Generate NC Output Interactively 对话框， 在 NC data type(数控数据格式)下拉列表框中选择 NC code(数控程 序)，并选择与数控机床系统相对应的数控代码。 由 CATIA 所生成的部分数控程序(如图 6)，将该程序导入数控 铣床就可对萨克斯哨片进行加工。 4 结束语 生活中有很多物体部属于自由曲面件，而制造业必须不断地发 展以适应人们生活所需。本文所论述的方法正是为自由曲面件的加 工提供了一种新的思路，应用本文论述的原理及方法。在建立好模 型之后，进行仿真加工，软件将自