铁艺叶片参数化建模及制造.pdf

数控加工技术现代制造工程 M o d e mM a I I u f a c t u r in gE n 百n e e r in g 2 0 1 5 年第1 1 期 铁艺叶片参数化建模及制造 苏红磊 井源 宁夏广播电视大学机电系 银川7 5 0 0 0 2 摘要 采用G e o m a 百c 软件对某不规则铁艺叶片进行模型预处理及曲面参数化重建 然后将曲面模型导入到c A x A 制造 工程师软件中进行分模 实现凸模的仿真加工 再到数控制造 总结分析了仿真加工的优越性 为复杂曲面零件的数字 化逆向制造提供了参考 关键词 逆向工程 铁艺叶片 G e o m a g ics t u d io 软件 c A x A 软件 模具制造 中图分类号 T H l 6 4 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 3 1 3 3 2 0 1 5 1 1 0 0 5 5 珈3 M o d e H n ga n dm 锄u f a c t u d n go fir 叩M a d ep a r 锄e t e r s b a s e do nR e V e 玛eE n 酉I 地e r in g S uH o n d e i J in gY u a n D e p a n m e n to fE l e c t r ic sa n dM e c h a n ic s N in g iaR a d ioa n dT VU n iv e r s 时 Y in c h u a J l7 5 0 0 0 2 C h in a A b s h a c t U s in g k o m a g ics o f h a 陀o nai玎r e g l l l a rim nb l a d e so fm o d e lp r e p m c e s s in g 明dp a 姗e t r ics I l I f 如er e c o n s t n l c t io n t l l e n d l em ein t oC A Am 釉u f a c t u r in ge n g in e e rs o f t w 踟s I l bm o d l l l eC A Ma p p l ic a t io na I l dr e a l iz a t io no fp u n c ht oN Cm 卸也c t 血n g s u n l m a r iz e s 锄d 明a l y z e st l l es u p e 五o r it y0 fm a c h iI l in gs im u l a t io n w h ic hp m v id e sar e f e 陀n c ef b rc o m p l e xc u r v e ds m 如ep a n so f t h ed i百t a lr e v e r s em n u a c t 血n g K e yw o r d S r e v e r s ee n g in e e r in g ir o nb l a d e G e o m a 西cS t u d ios o f t w a r e C A X As o 胁a r e m o l dm 锄u f a c t 谢n g 0 引言 逆向工程 R e v e r s eE n 舀n e e I in g R E 也称反求工 程 是指根据实物模型测得的数据 构造出c A D 模型 继而将这些模型和设计表征用于产品的分析和制造 并且可以通过对重构模型特征参数的调整和修改来 达到对实物模型的逼近或优化 以满足后续的加工要 求 是从数字化点的产生到C A D 模型的一个推理 过程 1 随着工业的高速发展 产品设计的概念已经突破以 往的思维方式 高效 节能和可逆成为了新的追求理念 当把一个物体用C A D 模型的形式表现出来时 模型的 所有特征可以用参数来表示 那么修改相应的尺寸参数 即可实现对图形的驱动调整 从而实现参数化设计 但 是 参数的修整是建立在物体基础模型之上的 当物体 为不规则自由曲面时 参数修整则具有局限性 G e o m a g ic 是典型的逆向建模软件 该软件采用许 多细小的空间三角片来逼近模型 用N u R B s 曲面片 宁夏科技支撑计划项目 2 0 1 2 z Y G o l 9 拟合直接创建N U R B s 曲面模型 分为 点一多边形一造 型 3 个阶段 基于N U R B S 理论 B 样条曲线虽然不 能精确表示所有二次曲线 只能近似 但这一特性在 设计自由曲面时显示出了强大优越性 因而 针对本 文铁艺叶片的表面曲率变化大的特性 选用G e o m a 西c 软件进行点云数据处理 1 G m a g ic 逆向曲面参数化重建 点云数据采集就是使用三维扫描仪采集铁艺叶 片上所有数据信息的过程 一般要经过喷白粉 贴标 扫描和后处理几个阶段 将扫描后生成的 s 点云数 据文件导人G e o m a g ic 软件中 经过 点云数据预处理一 多边形处理 曲面造型 3 个阶段对扫描文件进行参数 化曲面重建 其过程如下 首先 用G e o m a g ic 软件进行点云数据预处理 将 导人的模型经过着色 去噪声和格栅等操作后 形成 叶片点云数据 其云图如图1 所示 曲面由2 56 1 1 个 点组成 调整好的点再封装为1 50 1 5 个细微三角形 5 5 2 0 1 5 年第1 l 期 现代制造工程 M o d e mM a n u f a c t u 血gE n 百n e e r in g 网格如图2 a 所示 即可进入多边形处理环节 三角形 的数量并非越多越好 简化三角形数量可以光顺封装 表面 在进行精确构面之前一定要检查流行 从开放 的流形区域中删除非流形三角 增强表面啮合 由于 N u R B S 曲面的品质依赖于多边形处理的好与坏 因 而 当出现空洞 凸点和褶皱等情况时 需要采用补 洞 去除特征 砂纸和删除钉状物等方式进行处理 这 是重要的基础环节 最后进入造型阶段 曲面造型阶 段主要是实现区域分割与曲面重构 将曲面进行区域 划分是最关键的一步 决定着后续曲面的质量 处理后 的三角网格曲面经过区域划分 探测曲率 升级约束 构 造曲面片 构建栅格及拟合曲面等操作 完成点云数据 的曲面重构 叶片逆向参数化重建如图2 所示 嗲零鞲攀 a r 厶 封装1 探删l j 莽c 曲向J L 构缝 d 曲同哦述 图2 叶片逆向参数化重建 2 仿真加工 由于铁艺叶片是自由曲面 无法实现手动编程 因而选用C A M 软件进行处理 将通过G e o m a g ic 软件 重构好的曲面转存为 ig s 文件 并导入到c A x A 制造 工程师软件中 将曲面模型加厚1 m m 再进行分模处 理 得到如图3 所示的铁艺叶片凸模 然后对模型进行 工艺参数设置 从而实现刀具轨迹模拟 2 1 自动编程方案 铁艺叶片凸模外形轮廓在z 轴方向最大高度为 1 7 5 m m 见图3 切削余量与表面曲率变化较大 总 体方案采用高转速 低进给和低切削深度进行加工 加工分粗加工 见图4 半精加工 见图5 和精加工 见图6 三步 加工工艺如表1 所示 粗加工刀具尽 5 6 量大 可以以最快速度去除加工余量 根据凸模外形 轮廓最小圆弧为硒 5 m m 选用D 1 0 的立铣刀进行等 高线加工 半精加工为了保证精加工的加工余量均 匀 选用舵 5 球头铣刀进行等高线加工 精加工为 了提高加工效率和表面精度 选用m 球头铣刀进行 扫描线加工 图3 铁艺叶片凸模 a l j J 描线枷L 轨迹 b 扫描线仿真加工 图6 精加工 加工步骤如下 1 选用D 1 0 的立铣刀 采用等高粗加工的方式加 工凸模上表面 快速去除大量多余毛坯 2 选用磁 5 的球头铣刀 采用等高粗及补加工 照 苏红磊 等 铁艺叶片参数化建模及制造2 0 1 5 年第1 l 期 完成叶片上表面区域的加工 3 选用R l 的球头铣刀 采用扫描线精加工完成 铁艺叶片精加工 4 仿真加工 生成G 代码 表l 加工工艺 2 2 加工参数设置及仿真 在利用数控机床进行铁艺叶片加工时 首先 在 模型左上角创建新的坐标系 然后在机床上建立工件 坐标系 见图3 其次 定义毛坯 然后开始按照加工 方案的设计进行粗加工 采用等高粗加工可以快速 实现分层加工 从而去除毛坯多余的量 选用D 1 0 的 立铣刀进行往复加工 由于侧吃刀量不能大于刀具直 径的7 0 因而在等高粗加工参数选项里设定最大行 距为7 m m 层高 即切削深度 设置为l m m 螺旋下 刀 一方面立铣刀吃刀量大 可以提高加工效率 另 一方面可以避免球头铣刀加工留下的残留高度对平 整面的影响 为了避免出现过切现象 立铣刀只能在 粗加工中使用 半精加工及精加工选用等高线加工 及扫描线加工 实现了对模型轮廓表面加工 在仿真 过程中 除了对加工参数中的行距 层高和余量等进 行多次调整 以得到最佳仿真结果外 刀具则是一个 重要的影响因素 叶片在z 轴方向最大距离达到 1 7 5 m m 而尺1 的球头铣刀刀尖高度只有5 m m 这样 就会造成刀具锥柄与工件干涉 所以 轮廓的加工全 部由等高线加工完成 叶片上表面的精修由扫描线加 工完成 2 3 后置处理 刀具轨迹必须经过后置处理才能适应特定的机 床及系统的要求 使刀具轨迹数据变成机床能够识别 的代码 首先打开仿真加工模型 然后点选后置处 理 生成G 代码 笔者根据实际加工状况选择数控机 床操作系统为F A N U C 旬T D 最后窗选所有刀具模拟加 工轨迹 生成木 c u t 文件 这样 就可以保存后置处理 文件 以便后期加工时调用 3数控加工 数控加工选用现有T X K 8 5 0 设备进行 工件材料 为C r l 2 M o V 采用平口钳装夹毛坯 依次将D l o 立铣刀 忽 5 和R l 球头铣刀安装到位 将G 代码程序调出 设 置好加工参数 校验刀具路径如图7 a 所示 然后使用 百分表对毛坯进行找正 对刀 综合现有实际情况 主轴 转速范围设定在24 0 0 50 0 0 r r n in 进给速度范围设定 为10 0 0 12 0 0 眦n m in 切削用量的参数主要依据实际 加工状况进行适时调整 修调进给和转速倍率 最后 启动机床按钮进行实际加工 如图7 b 所示 a 7 j 具路径I J 数控加工 图7 数控加工及刀具路径 4 结语 本文通过某铁艺叶片 应用G e o m a g ic 和C A X A 制 造工程师软件进行了制件扫描后的点云数据处理及 曲面重建 还原了叶片实体模型并完成模型仿真加 工 最后制造出铁艺叶片凸模 实例表明 对于复杂 曲面类零件 采用逆向制造和自动编程软件 能够简 便 快捷地完成产品设计生产 减少实际的切削验证 大幅提高加工效率 降低成本 对现在制造业的发展 具有重要意义 参考文献 1 成思源 吴问霆 杨雪荣 基于G e o m a g ics t u d io 的快速曲 面重建 J 现代制造工程 2 0 l l 1 8 1 2 2 高岩 魏领会 杨洪岩 c A x A 制造工程师复杂曲面造型 分析 J 制造业自动化 2 0 1 1 3 3 4 1 4 3 3 张晓光 基于C A D C A M 技术的汽车车门锁扣模具的设 计与仿真加工 J 制造业自动化 2 0 1 2 3 4 2 0 2 2 4 董靖川 王太勇 丁彦玉 自由曲面数控加工的实时自适 应进给速度规划算法