劉明珍，楊文敏，方志超，韓業(yè)翔

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410128)

0 引 言

可視化技術(shù)是以三維表現(xiàn)技術(shù)再現(xiàn)三維世界中的物體，利用三維形體來表示復(fù)雜的信息。它通過一種仿真的、三維的并且具有實時交互能力的方式來傳遞信息。三維可視化工藝是在虛擬環(huán)境下，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)的可視性特征，對工藝信息和零件加工結(jié)果進(jìn)行圖形圖像處理與顯示，以達(dá)到工藝信息直觀可感知的目的[1]。通過機(jī)加工工藝的可視化，實現(xiàn)工藝設(shè)計信息的可視化提取、交互和修改，為傳統(tǒng)加工工藝提供信息；實現(xiàn)機(jī)械加工藝現(xiàn)場信息的可視化認(rèn)知、提取和交換，改變傳統(tǒng)以紙質(zhì)文檔傳遞信息的模式；車間現(xiàn)場能將工藝更改建議以可視化的形式進(jìn)行反饋。

虛擬環(huán)境可以提供給設(shè)計者以及現(xiàn)場人員多方面的感觀認(rèn)識，其中視覺感受可以有顏色、大小、形狀等，顏色通常給人以直接的視覺沖擊。

目前張志航[2]、周亞麗[3]等人進(jìn)行了裝配工藝三維可視化研究，面向裝配工藝的設(shè)計仿真，實現(xiàn)了利用三維裝配動畫表達(dá)裝配工藝過程，但面向機(jī)加工藝設(shè)計仍然沒有突破二維工藝卡片與簡圖的局限。

該文以D型打結(jié)器為例，通過對其重要零部件進(jìn)行可視化加工工藝的研究與加工仿真動畫的制作，介紹以SolidWorks CAM為平臺實現(xiàn)加工工藝可視化的方法。

1 SolidWorks CAM模塊介紹

SolidWorks CAM是一款基于直觀的三維實體模型的CAM軟件，其原型完整版是CAMWorks，是一款研制的高效、智能的數(shù)控加工編程軟件，運行于Windows系統(tǒng)是專門為SolidWorks 配套開發(fā)的 CAM 模塊[4]。其基于特征加工制造系統(tǒng)，可以自動識別多種加工特征，刀具軌跡的生成無須離開 SolidWorks 的軟件環(huán)境，可直接調(diào)用 SolidWorks 生成的三維零件模型來生成刀具的加工軌跡，保證加工出的零件與創(chuàng)建的零件模型一致。

SolidWorks CAM基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)，獨創(chuàng)的自動特征識別AFR (Automatic Feature Recognition)與交互特征識別IFR(Interactive Feature Recognition)技術(shù)，代表著當(dāng)前CAM技術(shù)發(fā)展的主流。它能自動提取實體模型的加工工藝參數(shù)，通過內(nèi)置功能完善的知識庫TechDB(Technology Database)支持，自動形成加工工序結(jié)構(gòu)樹。可以直接從知識庫中提取所需要的加工工藝信息，也可對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修改和管理。運用SolidWorks CAM進(jìn)行可視化加工工藝仿真動畫的制作流程如圖1所示。

圖1 可視化加工工藝制作流程

2 D型打結(jié)器結(jié)構(gòu)及工作原理

D型打結(jié)器主要由機(jī)架、驅(qū)動齒盤及夾繩機(jī)構(gòu)(夾繩片、夾繩盤、褪繩片 、蝸桿錐齒輪、蝸桿、蝸輪)、繞扣鉗咬機(jī)構(gòu)(打結(jié)嘴組件、打結(jié)鉗嘴錐齒輪)、割繩脫繩扣機(jī)構(gòu)等相關(guān)執(zhí)行的零部件機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。

圖2 D型打結(jié)器三維模型圖

D型打結(jié)器工作時，秸稈通過喂入裝置進(jìn)入打捆機(jī)打捆箱，通過打捆機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)將秸稈壓縮成一層層片體，井且緩慢向出草捆方向移動，當(dāng)移動固定的位移后，捆長控制機(jī)構(gòu)檢測到草捆長度合格后，在拉簧的作用下，打結(jié)離合器結(jié)合，驅(qū)動齒盤轉(zhuǎn)動一圈，打結(jié)結(jié)束，進(jìn)入下一工作循環(huán)。動力由打結(jié)器主軸傳遞到驅(qū)動齒盤，帶動驅(qū)動齒盤轉(zhuǎn)動、驅(qū)動齒盤通過齒盤外齒、齒盤內(nèi)齒和凸輪輪廓將動力分別傳送到打結(jié)鉗嘴夾繩機(jī)構(gòu)以及割繩桿，進(jìn)行一系列緊湊的打捆動作，驅(qū)動齒盤轉(zhuǎn)動一周，打結(jié)工作完成[5]。D型打結(jié)器工作原理如圖3所示。

圖3 D型打結(jié)器工作原理圖

驅(qū)動齒盤是保證D型打結(jié)器各機(jī)構(gòu)運動精確性的部件，起著至關(guān)重要的作用，其加工需要保證十分的精度。所以以驅(qū)動齒盤為例進(jìn)行加工工藝可視化仿真動畫制作。

3 可視化加工工藝實現(xiàn)

3.1 提取可加工特征

特征加工可直接利用 CAD 造型中設(shè)置的模型特征參數(shù)，不僅減少了加工對象和參數(shù)的重復(fù)輸入，而且還可以模型特征為 紐帶，將 CAD/CAM 系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)設(shè)計和制造數(shù)據(jù)的動態(tài)關(guān)聯(lián)[6]。這種以實體模型的幾何特征為加工對象、以特征參數(shù)為加工依據(jù)的編程方式，稱為特征加工，有時也稱為實體加工。特征加工并不是簡單的以實體模型為加工對象，而是能識別出實體模型的加工特征及其參數(shù)，再以加工特征為依據(jù)，貫穿于整個加工過程，主要包括特征識別、加工方法選擇、加工特征參數(shù)設(shè)置特征修改。

SolidWorks CAM通過自動特征識別或交互特征識別技術(shù)，識別出待加工特征的幾何形狀、尺寸參數(shù)及所采用的加工策略等信息，并按特征類型自動進(jìn)行分組。如圖4所示。

圖4 SolidWorks CAM自動特征識別

采用SolidWorks CAM識別出的待加工特征。針對待加工特征，選擇加工方法后，可采用系統(tǒng)默認(rèn)的刀具路徑樣式參數(shù)或?qū)ζ溥M(jìn)行修改，而無需重復(fù)輸入模型相關(guān)的幾何參數(shù)，大大減少了編程過程中數(shù)據(jù)輸入。而 SolidWorks CAM通過智能化數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將設(shè)計和制造數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，有利于特征更改后刀具路徑的自動生成。

根據(jù)該驅(qū)動齒盤零件的特點，經(jīng)過操作后，對于生成的加工內(nèi)容，是按照順序進(jìn)行排列的，根據(jù)生產(chǎn)實際情況，只要調(diào)整加工特征樹中的順序，就能夠方便地調(diào)整實際加工順序，而且后續(xù)的工作也不需要重新設(shè)置，軟件系統(tǒng)會提醒自動更新。

3.2 生成操作計劃

生成操作計劃，是指根據(jù)加工內(nèi)容所進(jìn)行的加工刀具的選擇和設(shè)置、加工方式的選取等內(nèi)容[7]。操作計劃是一個中間過程，特征識別解決的是選取什么的問題，操作計劃解決的是怎么處理的問題，驅(qū)動齒盤的加工操作計劃如圖5所示。

圖5 驅(qū)動齒盤加工的操作計劃

從圖5可以看出，相應(yīng)的刀具對應(yīng)著加工內(nèi)容。根據(jù)特征，軟件系統(tǒng)在工藝數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，自動提供相應(yīng)的加工方案，能夠按照相關(guān)的約束進(jìn)行處理。系統(tǒng)自動處理的操作計劃同特征識別一樣，也是可以進(jìn)行人工編輯和修改的。由于實際生產(chǎn)狀況的變化，可能缺少相關(guān)尺寸的刀具，或者受某種加工設(shè)備的限制，需要進(jìn)行重新組織加工方法的，可以在操作計劃單中進(jìn)行人為的調(diào)整。調(diào)整后的計劃，將自動儲存在系統(tǒng)中，系統(tǒng)會提醒操作者進(jìn)行更新。

3.3 生成刀具軌跡

單擊“生成刀具軌跡”按鈕后，系統(tǒng)根據(jù)識別的特征形狀、尺寸大小及操作參數(shù)，自動生成加工特征的刀具路徑，如圖6所示。

3.4 刀具路徑模擬

為了驗證刀具路徑是否正確，還必須對生成的刀具路徑進(jìn)行模擬，直到滿足用需求為止，如圖7 所示。

刀具參數(shù)和加工參數(shù)設(shè)置完成后，就可以生成加工刀具路徑[8]。生成的刀具路徑是否合理，還要校驗刀具路徑。在校驗刀具路徑時，觀察路徑是否簡略，有無冗余的刀具路徑，在保證精度的情況下，減少空走刀的時間，提高加工效率。在完成了刀具參數(shù)、加工參數(shù)設(shè)置、校驗刀具路徑后，可以對零件實體虛擬加工，圖8就是從開始到虛擬加工結(jié)束，幾個典型的虛擬加工效果圖。

圖6 定義刀具軌跡

圖7 刀具路徑仿真 圖8 虛擬加工過程圖

3.5 程序后置處理

已編輯好的刀具加工路徑，通過后置處理，可按程序段一步步生成代碼，也可一次完整地生成代碼程序，如圖9所示。

圖9 后置處理代碼輸出圖

后置代碼一般生成比較長。對于經(jīng)過驗證的刀具軌跡，操作者如果認(rèn)為已經(jīng)合理，則可以通過后置處理的方式，將刀具軌跡文件“翻譯”成數(shù)控機(jī)床能夠識別的數(shù)控程序，這個過程稱為后置處理。SolidWorks CAM對刀具加工軌跡進(jìn)行后置處理，對于不同數(shù)控系統(tǒng)，可方便地定制不同的后置處理程序，主要包括機(jī)床類型、代碼格式、程序段表達(dá)方式及加工方法等。其生成的代碼能夠快速運用到數(shù)控機(jī)床的零件加工中。

3.6 加工工藝可視化查看

SolidWorks CAMNC 編輯器對G代碼進(jìn)行查看及仿真，如圖10所示，通過控制鍵查看每一階段的零件加工工藝走刀操作等情況，關(guān)聯(lián)SolidWorks CAM 進(jìn)行可視化加工工藝實現(xiàn)過程各階段，達(dá)到零件加工工藝可視化目的。

圖10 SolidWorks CAM NC 編輯圖

4 結(jié) 語

在 SolidWorks CAM模塊下研究零件機(jī)加工工藝可視化，提出了完整的三維機(jī)加工藝應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)與工作模式，建立了三維環(huán)境下設(shè)計制造全新的模式、技術(shù)、工具和環(huán)境。此研究成果很好的解決了工藝設(shè)計工作中采用的2D+3D混合產(chǎn)品定義方式存在的一系列問題，將極大的提高機(jī)加工藝設(shè)計環(huán)節(jié)的質(zhì)量和效率，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)、研發(fā)周期，降低企業(yè)成本。