鄭成凱，王洪申

(蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，產(chǎn)品中含有自由曲面的零件逐漸增多。目前自由曲面類零件主要通過數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工[1]。因?yàn)樽杂汕娴亩鄻踊?、?fù)雜化，所以其在數(shù)控加工過程中往往會(huì)出現(xiàn)加工精度不足、加工效率低下等問題[2]，而且在實(shí)際加工自由曲面零件的過程中，不僅需要加工人員擁有一定的理論基礎(chǔ)，還需要其擁有豐富的實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，加工過程需要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力。本文通過對(duì)已有的加工自由曲面的成功案例進(jìn)行分析，借鑒其加工參數(shù)與加工策略，根據(jù)待加工零件的加工要求，制定出新的待加工曲面的加工規(guī)劃，將規(guī)劃參數(shù)輸入U(xiǎn)G(Unigraphics NX)軟件生成新的自由曲面的數(shù)控加工刀具軌跡，從而提高加工效率，降低加工成本。

1 基于相似自由曲面零件的加工信息重用

自由曲面零件的形狀復(fù)雜多樣，對(duì)于初涉加工領(lǐng)域的新手來(lái)說(shuō)，要想按照加工要求，一次性完整地加工出合格的零件難度較大。本文提出相似自由曲面數(shù)控信息規(guī)劃重用的方法，通過分析已有的自由曲面數(shù)控加工成功案例，借鑒其成功的加工經(jīng)驗(yàn)，重用到待加工零件中，實(shí)現(xiàn)待加工零件的數(shù)控信息規(guī)劃[3-4]。

主要思路為：首先根據(jù)待加工零件的幾何形狀從數(shù)據(jù)庫(kù)中找到與之相似的加工實(shí)例，提取已知成功加工自由曲面零件的加工信息，得到其仿真加工時(shí)的數(shù)控規(guī)劃；然后將加工規(guī)劃信息分為加工策略、加工參數(shù)兩個(gè)層次進(jìn)行借鑒，根據(jù)加工要求的異同，修改部分加工參數(shù)后重用到待加工零件的加工規(guī)劃中，通過計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證重用的效果，完成待加工零件的加工規(guī)劃。具體步驟如圖1所示。

圖1 自由曲面數(shù)控加工規(guī)劃信息重用簡(jiǎn)圖

1.1 已知自由曲面零件加工信息提取

利用UG軟件對(duì)零件進(jìn)行仿真加工后，會(huì)生成一個(gè)包含標(biāo)準(zhǔn)APT(the advanced packaging tool，高級(jí)包裝工具)命令的文本文件，即CLSF(cutter location source file，刀具位置源文件)，該文件主要用于供第三方在后置處理程序中使用，可以最直觀地體現(xiàn)零件的加工信息[5-6]。同時(shí)由于現(xiàn)今機(jī)床的種類繁多，數(shù)控系統(tǒng)也大不相同，UG軟件生成的CLSF需要通過專用的后置處理器轉(zhuǎn)化為可以被機(jī)床識(shí)別的NC(numerical control)代碼，然后進(jìn)行數(shù)控機(jī)床加工。本文通過加工實(shí)例的CLSF獲取已知自由曲面零件的加工信息，并從中提取參數(shù)。

通過對(duì)UG軟件數(shù)控加工的參數(shù)進(jìn)行分析，找到影響數(shù)控加工軌跡以及加工要求的參數(shù)，并進(jìn)行提取。提取的自由曲面零件數(shù)控加工信息見表1。由于自由曲面的數(shù)控加工通常使用球頭刀，因此本文直接選用球頭銑刀作為刀具類型。

表1 已知自由曲面零件數(shù)控加工信息提取

1.2 待加工相似自由曲面加工信息重用

本文在已知待加工自由曲面與已知自由曲面相似的前提下，分兩個(gè)層次進(jìn)行加工信息借鑒：加工策略、加工參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)待加工零件的加工要求，選擇是否修改部分加工參數(shù)，然后重用加工策略，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證重用效果。重用的數(shù)控加工信息見表2。

表2 重用的數(shù)控加工信息

2 仿真驗(yàn)證

基于VS2012(Visual Studio 2012)軟件平臺(tái)對(duì)UG10.0進(jìn)行二次開發(fā)，通過加工信息的統(tǒng)一輸入，對(duì)本文提出的相似曲面零件數(shù)控信息重用方法進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)的兩相似曲面零件如圖2所示，其中已知曲面零件與待加工曲面零件僅部分節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)不同。

圖2 兩相似零件三維模型

已知曲面零件與待加工曲面零件的不同點(diǎn)主要為兩曲面局部曲率半徑不同，根據(jù)步長(zhǎng)計(jì)算公式(式(1))與行距計(jì)算公式(式(2))可得：局部曲率半徑不同時(shí)，行距Lw、步長(zhǎng)Ls也不相同。

(1)

(2)

式中：h為殘高；ε為誤差；ρ為局部曲率。

因?yàn)橐阎媾c待加工曲面的相似性，曲面不會(huì)發(fā)生太大變化，直接重用刀具半徑對(duì)局部曲率的影響可以忽略不計(jì)，故本文直接重用刀具半徑參數(shù)。在實(shí)際加工時(shí)，加工精度是數(shù)控加工首要考慮條件，是描述產(chǎn)品是否合格的重要因素，因此代表加工精度的參數(shù)，即公差和殘高通常是已知條件[7-8]。因此，本文根據(jù)待加工零件的加工要求(公差與殘高)，分兩種情況進(jìn)行討論，驗(yàn)證重用方法的正確性。

2.1 驗(yàn)證方案

驗(yàn)證一：兩相似曲面零件加工要求相同。

驗(yàn)證條件：已知曲面公差為0.03 mm、殘高為0.1 mm；待加工曲面公差為0.03 mm、殘高為0.1 mm。

當(dāng)兩個(gè)相似零件的加工要求(公差和殘余高度)相同時(shí)，可以分兩個(gè)層次進(jìn)行重用：加工策略、加工參數(shù)。重用后兩相似曲面數(shù)控信息對(duì)比見表3。

根據(jù)已知零件的CLSF與式(1)、(2)計(jì)算得到：行距為0.693 7 mm、步長(zhǎng)為0.416 9 mm。重用數(shù)控信息后，根據(jù)待加工零件的CLSF與式(1)、(2)計(jì)算得到：行距為0.934 1 mm、步長(zhǎng)為1.381 6 mm。根據(jù)兩相似曲面的行距、步長(zhǎng)信息以及表3數(shù)據(jù)可得，局部曲率的變化只會(huì)影響行距與步長(zhǎng)，重用后仍然滿足待加工零件的加工要求，證明兩相似曲面加工要求一致時(shí)的重用策略是正確的。

表3 兩相似曲面加工要求相同時(shí)數(shù)控信息對(duì)比

驗(yàn)證二：兩相似曲面零件加工要求不同。

驗(yàn)證條件：已知曲面公差為0.03 mm、殘高為0.1 mm；待加工曲面公差為0.05 mm、殘高為0.5 mm。

當(dāng)兩個(gè)相似零件的加工要求(公差和殘余高度)不同時(shí)，也可以分兩個(gè)層次進(jìn)行重用：加工策略、加工參數(shù)。由于此時(shí)待加工零件的加工要求不同于已知零件，因此需要修改待加工零件的公差與殘余高度的值，然后進(jìn)行重用。重用后兩相似曲面數(shù)控信息對(duì)比情況見表4。

表4 兩相似曲面加工要求不同時(shí)數(shù)控信息對(duì)比

其中根據(jù)已知零件的CLSF與式(1)、(2)計(jì)算得到：行距為0.693 7 mm、步長(zhǎng)為0.416 9 mm。重用數(shù)控信息后，根據(jù)待加工零件的CLSF與式(1)、(2)計(jì)算得到：行距為1.371 5 mm、步長(zhǎng)為1.593 1 mm。根據(jù)計(jì)算得到的行距、步長(zhǎng)數(shù)據(jù)以及表4可得，兩相似曲面零件的局部曲率僅影響步長(zhǎng)與行距，待加工零件仍滿足加工要求，證明兩相似曲面加工要求不同時(shí)的重用策略是正確的。

2.2 UG軟件仿真分析

本文設(shè)計(jì)了一種快速數(shù)控加工系統(tǒng)，將需要重用的數(shù)控加工信息統(tǒng)一整理到一個(gè)界面，加工時(shí)只需要輸入相關(guān)參數(shù)，點(diǎn)擊確定按鈕就可創(chuàng)建刀具以及對(duì)應(yīng)加工操作，極大簡(jiǎn)化了UG軟件的仿真加工，提高了加工效率。具體開發(fā)流程如下：

步驟1，在UG安裝目錄新建二次開發(fā)文件夾，文件夾可以任意命名，但必須是英文，在此文件夾下新建application、startup兩個(gè)文件夾，分別用于存放編程文件(.dll)、UI界面文件(.dlx)與菜單腳本文件。

步驟2，通過VS2012軟件平臺(tái)中的NX Open Wizard開發(fā)向?qū)?，自?dòng)完成NX二次開發(fā)程序編寫環(huán)境配置。打開VS2012軟件，新建項(xiàng)目，選擇NX Open Wizard，輸入文件名稱，彈出對(duì)話框，點(diǎn)擊完成即可進(jìn)入編程頁(yè)面。

步驟3，新建NXOpenCode作為代碼文件夾，存放UI界面文件與相應(yīng)代碼文件，使用UG軟件的塊UI樣式編輯器，編寫自己需要的UI界面。將保存UI界面時(shí)生成的頭文件與代碼文件，復(fù)制到二次開發(fā)文件目錄下的Debug文件夾中，其中.cpp的文件作為本文二次開發(fā)系統(tǒng)的編譯框架。

步驟4，在apply_cb()下編寫代碼，編寫前首先要注意使用UF_initialize()進(jìn)行初始化，以獲得許可權(quán)限，編寫完成后，使用UF_terminate()來(lái)釋放權(quán)限。

步驟5，編譯通過后將UG生成的.dll界面代碼文件與.dlx UI界面文件復(fù)制到application文件夾下，并將代碼文件名掛載在菜單腳本文件上，啟動(dòng)UG軟件即可成功運(yùn)行。

其中二次開發(fā)系統(tǒng)UI界面如圖3所示。

圖3 二次開發(fā)系統(tǒng)UI界面

將重用的加工信息輸入到二次開發(fā)界面中，點(diǎn)擊確定后，生成加工工序，選擇要加工的自由曲面進(jìn)行加工即可。

2.3 相似曲面重用策略的合理性評(píng)價(jià)

一般情況下，在實(shí)際加工曲面零件時(shí)，都是基于自身加工經(jīng)驗(yàn)反復(fù)實(shí)驗(yàn)后，才能得到最終的數(shù)控加工信息規(guī)劃；而本文提出的相似曲面重用數(shù)控信息方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了本文數(shù)控加工信息重用方法的合理性。雖然相似自由曲面的數(shù)控加工規(guī)劃方法，是基于成功的加工案例和加工經(jīng)驗(yàn)，但理論上該方法只是較優(yōu)解并不一定是最優(yōu)解。根據(jù)實(shí)際情況可以將數(shù)控加工信息重用分為2種情況。

第1種情況：當(dāng)待加工零件加工曲面要求較低時(shí)，可以直接采用本文提出的數(shù)控信息重用方法，生成刀具軌跡，優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、人工成本低；

第2種情況：當(dāng)待加工零件加工曲面要求較高時(shí)，可以通過比較重用數(shù)控加工信息方法和人為經(jīng)驗(yàn)規(guī)劃方法后，找到其中的最優(yōu)加工方法，以盡量降低加工誤差和生產(chǎn)成本，最大化滿足實(shí)際加工需要。

選用圖4所示的數(shù)控銑床XKA714對(duì)待加工零件進(jìn)行加工，結(jié)合本文提出的相似曲面零件數(shù)控重用方法對(duì)上述兩種不同情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，加工結(jié)果如圖5所示，其中1號(hào)與2號(hào)進(jìn)行效果對(duì)比，3號(hào)與4號(hào)進(jìn)行效果對(duì)比。

圖4 數(shù)控銑床XKA714

圖5 實(shí)際加工驗(yàn)證

1號(hào)與3號(hào)為人為經(jīng)驗(yàn)規(guī)劃方法產(chǎn)生的加工效果，2號(hào)與4號(hào)為重用相似曲面數(shù)控信息后產(chǎn)生的加工效果。2號(hào)與4號(hào)零件的加工參數(shù)除公差與殘高外，均采用表4中待加工零件的數(shù)據(jù)。同時(shí)，為了區(qū)分人為經(jīng)驗(yàn)規(guī)劃方法與本文提出的重用相似曲面數(shù)控信息方法，1號(hào)和3號(hào)選擇切削模式為單向，其余數(shù)控信息分別與2號(hào)和4號(hào)相同，4組實(shí)驗(yàn)對(duì)比情況見表5。

表5 實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)實(shí)際加工效果以及表5的數(shù)據(jù)可以得出：當(dāng)加工要求較低時(shí)，1號(hào)與2號(hào)滿足加工要求，加工效果無(wú)明顯差異，但2號(hào)加工時(shí)間短、加工效率高；當(dāng)加工要求較高時(shí)，3號(hào)與4號(hào)滿足加工要求，加工效果無(wú)明顯差異，但4號(hào)加工時(shí)間短，加工效率高于3號(hào)，因此本文提出的相似曲面數(shù)控信息重用方法為其中的最優(yōu)加工方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出通過借鑒已有的相似曲面數(shù)控加工成功案例，生成新的自由曲面加工規(guī)劃的方法，并以UG軟件為工具，設(shè)計(jì)了一種快速加工系統(tǒng)，同時(shí)利用實(shí)際機(jī)床加工驗(yàn)證了相似曲面重用方法的正確性與可行性。本文的重用借鑒思路，可以擴(kuò)展到UG軟件其他加工子類型以及相應(yīng)的自由曲面零件上，如深度輪廓加工、可變輪廓加工、葉片精加工等。自由曲面數(shù)控加工規(guī)劃難度大，對(duì)技術(shù)人員的領(lǐng)域知識(shí)、加工經(jīng)驗(yàn)要求都比較高，如運(yùn)用本文提出的方法可以大幅降低規(guī)劃難度，通過借鑒成功的加工案例中的經(jīng)驗(yàn)，在滿足加工精度的同時(shí)，還能提高產(chǎn)品的加工效率。