鄭成凱，王洪申

(蘭州理工大學(xué)機電工程學(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)控機床實現(xiàn)生產(chǎn)加工[1]。因為自由曲面的多樣化、復(fù)雜化，所以其在數(shù)控加工過程中往往會出現(xiàn)加工精度不足、加工效率低下等問題[2]，而且在實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際加工經(jīng)驗，加工過程需要耗費大量時間和精力。本文通過對已有的加工自由曲面的成功案例進行分析，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UG(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，對于初涉加工領(lǐng)域的新手來說，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，重用到待加工零件中，實現(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)庫中找到與之相似的加工實例，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)兩個層次進行借鑒，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，通過計算與實驗驗證重用的效果，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)劃信息重用簡圖

1.1 已知自由曲面零件加工信息提取

利用UG軟件對零件進行仿真加工后，會生成一個包含標準APT(the advanced packaging tool，高級包裝工具)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]。同時由于現(xiàn)今機床的種類繁多，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)化為可以被機床識別的NC(numerical control)代碼，然后進行數(shù)控機床加工。本文通過加工實例的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UG軟件數(shù)控加工的參數(shù)進行分析，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，分兩個層次進行加工信息借鑒：加工策略、加工參數(shù)。在實際應(yīng)用時，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，最后通過實驗驗證重用效果。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 仿真驗證

基于VS2012(Visual Studio 2012)軟件平臺對UG10.0進行二次開發(fā)，通過加工信息的統(tǒng)一輸入，對本文提出的相似曲面零件數(shù)控信息重用方法進行驗證。實驗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)點坐標不同。

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主要為兩曲面局部曲率半徑不同，根據(jù)步長計算公式(式(1))與行距計算公式(式(2))可得：局部曲率半徑不同時，行距Lw、步長Ls也不相同。

(1)

(2)

式中：h為殘高；ε為誤差；ρ為局部曲率。

因為已知曲面與待加工曲面的相似性，曲面不會發(fā)生太大變化，直接重用刀具半徑對局部曲率的影響可以忽略不計，故本文直接重用刀具半徑參數(shù)。在實際加工時，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)，分兩種情況進行討論，驗證重用方法的正確性。

2.1 驗證方案

驗證一：兩相似曲面零件加工要求相同。

驗證條件：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。

當兩個相似零件的加工要求(公差和殘余高度)相同時，可以分兩個層次進行重用：加工策略、加工參數(shù)。重用后兩相似曲面數(shù)控信息對比見表3。

根據(jù)已知零件的CLSF與式(1)、(2)計算得到：行距為0.693 7 mm、步長為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)計算得到：行距為0.934 1 mm、步長為1.381 6 mm。根據(jù)兩相似曲面的行距、步長信息以及表3數(shù)據(jù)可得，局部曲率的變化只會影響行距與步長，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的重用策略是正確的。

表3 兩相似曲面加工要求相同時數(shù)控信息對比

驗證二：兩相似曲面零件加工要求不同。

驗證條件：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。

當兩個相似零件的加工要求(公差和殘余高度)不同時，也可以分兩個層次進行重用：加工策略、加工參數(shù)。由于此時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，然后進行重用。重用后兩相似曲面數(shù)控信息對比情況見表4。

表4 兩相似曲面加工要求不同時數(shù)控信息對比

其中根據(jù)已知零件的CLSF與式(1)、(2)計算得到：行距為0.693 7 mm、步長為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)計算得到：行距為1.371 5 mm、步長為1.593 1 mm。根據(jù)計算得到的行距、步長數(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的重用策略是正確的。

2.2 UG軟件仿真分析

本文設(shè)計了一種快速數(shù)控加工系統(tǒng)，將需要重用的數(shù)控加工信息統(tǒng)一整理到一個界面，加工時只需要輸入相關(guān)參數(shù)，點擊確定按鈕就可創(chuàng)建刀具以及對應(yīng)加工操作，極大簡化了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軟件平臺中的NX Open Wizard開發(fā)向?qū)В詣油瓿蒒X二次開發(fā)程序編寫環(huán)境配置。打開VS2012軟件，新建項目，選擇NX Open Wizard，輸入文件名稱，彈出對話框，點擊完成即可進入編程頁面。

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()進行初始化，以獲得許可權(quán)限，編寫完成后，使用UF_terminate()來釋放權(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UG軟件即可成功運行。

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，點擊確定后，生成加工工序，選擇要加工的自由曲面進行加工即可。

2.3 相似曲面重用策略的合理性評價

一般情況下，在實際加工曲面零件時，都是基于自身加工經(jīng)驗反復(fù)實驗后，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，通過實驗驗證，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，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：當待加工零件加工曲面要求較低時，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)點是操作簡單、人工成本低；

第2種情況：當待加工零件加工曲面要求較高時，可以通過比較重用數(shù)控加工信息方法和人為經(jīng)驗規(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，最大化滿足實際加工需要。

選用圖4所示的數(shù)控銑床XKA714對待加工零件進行加工，結(jié)合本文提出的相似曲面零件數(shù)控重用方法對上述兩種不同情況進行實驗驗證，加工結(jié)果如圖5所示，其中1號與2號進行效果對比，3號與4號進行效果對比。

圖4 數(shù)控銑床XKA714

圖5 實際加工驗證

1號與3號為人為經(jīng)驗規(guī)劃方法產(chǎn)生的加工效果，2號與4號為重用相似曲面數(shù)控信息后產(chǎn)生的加工效果。2號與4號零件的加工參數(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，為了區(qū)分人為經(jīng)驗規(guī)劃方法與本文提出的重用相似曲面數(shù)控信息方法，1號和3號選擇切削模式為單向，其余數(shù)控信息分別與2號和4號相同，4組實驗對比情況見表5。

表5 實際加工實驗數(shù)據(jù)對比

根據(jù)實際加工效果以及表5的數(shù)據(jù)可以得出：當加工要求較低時，1號與2號滿足加工要求，加工效果無明顯差異，但2號加工時間短、加工效率高；當加工要求較高時，3號與4號滿足加工要求，加工效果無明顯差異，但4號加工時間短，加工效率高于3號，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

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)計了一種快速加工系統(tǒng)，同時利用實際機床加工驗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，對技術(shù)人員的領(lǐng)域知識、加工經(jīng)驗要求都比較高，如運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，在滿足加工精度的同時，還能提高產(chǎn)品的加工效率。