隨著CAD、CAM、CAE 等技術(shù)不斷發(fā)展和日趨完善，它們在各個領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用。其中Unigraphics 軟件是這一技術(shù)發(fā)展得比較成功的軟件之一，它起源于美國麥道飛機(jī)公司，以CAD/ CAM/CAE 一體化而著稱，目前已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、通用機(jī)械等領(lǐng)域。其CAM 模塊尤其出色，在同類軟件中處于絕對領(lǐng)先地位，它提供了一種交互式編程工具，可計算生成精確可靠的刀具加工軌跡，是一個功能強(qiáng)大的計算機(jī)輔助制造模塊。目前，這一技術(shù)已成功應(yīng)用于模具及零件的制造過程，為企業(yè)帶來了極高的加工質(zhì)量及可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

　　現(xiàn)代制造業(yè)所面對的經(jīng)常是具有復(fù)雜型腔的高精度模具制造及復(fù)雜型面產(chǎn)品的外型加工，其共同特點(diǎn)是以復(fù)雜三維型面為結(jié)構(gòu)主體，整體結(jié)構(gòu)緊湊，制造精度要求高，加工成型難度極大。通過近幾年對UG軟件的應(yīng)用摸索，針對上述制造過程中普遍存在的技術(shù)難點(diǎn)，將傳統(tǒng)工藝方案中適用現(xiàn)代數(shù)控加工的精華部分溶入UG/ CAM的應(yīng)用過程，總結(jié)出一套適用于各類復(fù)雜型面的數(shù)控加工編程方法。

　　1 建立數(shù)學(xué)模型

　　任何一個軟件都是以CAD 階段所獲得的產(chǎn)品三維實體模型作為其CAM 階段刀軌計算的數(shù)據(jù)來源。模型是基礎(chǔ)，它的正確可靠性直接影響刀軌數(shù)據(jù)的正確可靠性。UG/ CAM所依賴的數(shù)據(jù)計算模型可以通過兩種途徑獲得:

　　a. 用UG軟件的CAD 系統(tǒng)直接構(gòu)造。

　　b. 通過IGES、STEP 或UG的專用數(shù)據(jù)接口(如parasolid) 將其他CAD 系統(tǒng)構(gòu)造的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再對轉(zhuǎn)入模型的歧異部分進(jìn)行處理，使之符合UG/ CAM系統(tǒng)的要求。

　　在建立模型之前，我們應(yīng)首先對模型各特征的建立順序及建立方法作周全考慮，先作什么，后作什么，用什么方法作，使用哪一種造型功能，這些對后續(xù)的CAD 及CAM 工作都將產(chǎn)生極其重要的影響。另外，在產(chǎn)品型面結(jié)構(gòu)特別緊湊的情況下，一定會有不少型面在理論上是相切關(guān)系，因此必定造成臨界關(guān)系面的存在，這種關(guān)系的存在往往導(dǎo)致布爾運(yùn)算無法正常進(jìn)行，因此，在建立數(shù)學(xué)模型時必須對這種關(guān)系進(jìn)行恰當(dāng)處理。這一處理過程是建模過程中最容易被忽視也是最重要的步驟之一。例如，我們可以將產(chǎn)品允許公差合理容入數(shù)學(xué)模型中，對局部尺寸進(jìn)行合理調(diào)整，這樣就可以避免臨界關(guān)系的存在，使各特征單元通過布爾運(yùn)算順利合并為一整體。

　　2 確定加工坐標(biāo)系

　　實體模型的建立是以工作坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，而數(shù)控加工刀位源文件的生成則是以加工坐標(biāo)系為基礎(chǔ)。加工坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)位置應(yīng)便于加工者快速準(zhǔn)確對刀，同時方便加工過程中需要進(jìn)行的尺寸計算。確定加工坐標(biāo)軸方向時應(yīng)考慮被加工產(chǎn)品在數(shù)控機(jī)床上的裝夾擺放情況。

　　3 規(guī)劃刀位源文件

　　根據(jù)不同產(chǎn)品型面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 我們可選用UG/ CAM 提供的PLANAR MILL (平面銑) 、CAVITYMILL (型腔銑) 及FIXED CONTOUR (固定軸輪廓銑) 3 個各有特色，相輔相成的加工模塊規(guī)劃各類型面的加工刀位源文件，這一過程中既可單獨(dú)運(yùn)用其中某一個模塊編程將型面加工成型，又可搭配使用各模塊生成型面加工刀位源文件。總之，應(yīng)根據(jù)加工型面的不同靈活掌握各模塊應(yīng)用特點(diǎn)，高質(zhì)量、高效率地加工出我們滿意的產(chǎn)品。

　　PLANAR MILL 及CAVITY MILL 是規(guī)定二軸聯(lián)動的加工模塊，可規(guī)劃刀具平面輪廓運(yùn)動及加工精度，并提供了用點(diǎn)、線、棱邊、面進(jìn)行驅(qū)動的刀具軌跡計算方式。對PLANAR MILL 而言，進(jìn)行刀軌計算時只需要構(gòu)成加工對象的線或棱邊即可。如圖1所示平面1 及平面2 就很適合用該加工模塊編制其數(shù)控加工程序。應(yīng)用CAVITY MILL 模塊進(jìn)行加工計算時，必須有表征零件三維數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型，同時還需要構(gòu)造Boundary(邊界) 或Blank Geome2try(毛坯體) 等要素。如圖2 所示內(nèi)腔的刀軌路徑可用該模塊進(jìn)行精確規(guī)劃，我們可以采取圓柱平底銑刀以自上而下的分層環(huán)繞方式去除毛坯多余材料并最終成型其內(nèi)腔型面。

　　圖1

　　圖2

　　FIXED CONTOUR 是規(guī)定三軸聯(lián)動的加工模塊，它提供一種完全的和綜合的加工方式，可適應(yīng)實際加工中各種工序加工的需要，可用于進(jìn)行粗加工、半精加工、精加工及清根等操作，它還提供了多種走刀方式和驅(qū)動方法，可自由規(guī)劃刀具的三維空間運(yùn)動軌跡及加工精度，可以用來加工任何形狀的型腔或零件表面，運(yùn)用該模塊進(jìn)行刀具切削軌跡計算時需要提供構(gòu)成加工對象的三維數(shù)據(jù)模型(如片體Sheet Body 或?qū)嶓wSolid Body 等) 以及相應(yīng)驅(qū)動方式。

　　三維型面如圖3 所示時，我們可以在該加工模塊下簡便地以圓柱球頭銑刀采用放射式走刀方式將型面加工成型。采取這種方式編程加工，編程工作量小、效率高。

　　圖3

　　大多數(shù)情況下，以上3 種加工模塊應(yīng)合理搭配，綜合使用。這時各模塊驅(qū)動幾何體的合理定義非常重要，它直接影響零件型面的成型質(zhì)量、加工程序的實用性、加工效率及切削刀具的幾何參數(shù)。15 處加強(qiáng)筋成型如圖4 所示。槽(粉紅色所示) 時，我們就應(yīng)采用不同加工模塊分別規(guī)劃其粗、精加工刀軌路徑。粗加工過程可以用CAVITY MILL 模塊以直徑小于槽寬的適當(dāng)平底柱銑刀逐層去除毛坯材料。切削深度的定義是這一階段規(guī)劃重點(diǎn)，它直接影響切削效率以及為精加工階段所保留加工余量，切削深度由公式H = ( Ramax - Ramin) ×ctgA 計算而得。其中H 為切削深度， Ramax、Ramin 分別為最大、最小加工余量，A 為加強(qiáng)筋與水平面夾角。在粗加工為精加工規(guī)劃好加工余量和預(yù)留形狀后，精加工過程就可以采用FIXED CONTOUR 模塊以直徑與槽寬相等牛鼻銑刀沿型銑削，高質(zhì)量高效率將槽加工成型。

　　如圖5 所示區(qū)域1 所示型面，也是一個需要綜合應(yīng)用各加工模塊對精加工刀具軌跡進(jìn)行合理規(guī)劃的典型實例。其型面極不規(guī)則，不僅二維型面與三維型面交織在一起，并且容刀空間很小，型面間落差又很大，這些都不利于加工刀具路徑的合理規(guī)劃，稍有偏差就會出現(xiàn)扎刀、啃刀、碰撞、過切等諸多不良現(xiàn)象，因此，刀軌規(guī)劃要作得極為周密。我們可先運(yùn)用PLANAR - MILL 模塊，以圓柱平底銑刀進(jìn)行二維型面銑削，這一過程需要基于菱形輪廓手工定義對應(yīng)于不同深度的各驅(qū)動邊界。可通過Extract 抽取出菱形柱面與周邊型面的相貫線， 再運(yùn)用ProjectPoints/ Curves 功能獲得相貫線在對應(yīng)側(cè)面的二維投影線，用數(shù)學(xué)的方法將這些投影線簡化為一段段直線后，我們可采用計算圖四加強(qiáng)筋切削深度的原理來計算恰當(dāng)?shù)牡毒呙繉鱼娤魃疃龋藭r需要綜合考慮各相貫線對切削深度的制約因素。由于我們所進(jìn)行的并不是純理論的研究，而是伸手可及的機(jī)械加工，所以在計算過程中應(yīng)加入我們的數(shù)控加工經(jīng)驗值進(jìn)行近似求解，在求得各層切削深度值后，再作出區(qū)域1 內(nèi)型面在各切削深度層面的最大外輪廓線作為各切削深度所對應(yīng)的驅(qū)動邊界，該驅(qū)動邊界內(nèi)應(yīng)包含有切削刀具的進(jìn)刀點(diǎn)及退刀點(diǎn)，保證刀具不碰傷整個產(chǎn)品的任一處型面，要能做到在確保加工質(zhì)量、加工效率及可行的刀具參數(shù)的同時盡量大面積地將該區(qū)域內(nèi)的二維型面加工成型，同時去除三維型面的表面加工余量，為后續(xù)的精加工作好前期準(zhǔn)備。之后，我們再運(yùn)用FIXED CONTOUR 加工模塊，用圓柱球頭銑刀對上一過程不能成型的三維型面進(jìn)行成型加工及清根操作，這里要強(qiáng)調(diào)走刀方式和驅(qū)動方式的定義，它們是確保型面加工質(zhì)量的關(guān)鍵，應(yīng)針對三維型面的空間變化趨勢，盡量沿型面變化較大的方向走刀，走刀方式可確定為沿平行于走刀方向進(jìn)行往復(fù)切削。

　　圖5

　　整個操作方式編程工作繁瑣，設(shè)定驅(qū)動邊界時要求全局考慮，仔細(xì)計算到所有相關(guān)特征，其優(yōu)點(diǎn)則在于生成加工刀軌路徑時計算量很小，計算速度快，生成的加工程序短小適用，加工效率極高，型面的成型精度及表面粗糙度也都很高。

　　4 結(jié)束語

　　實踐證明，UG/ CAM 的高端技術(shù)可以為產(chǎn)品復(fù)雜三維型面的數(shù)控加工帶來極高的加工效率、加工質(zhì)量，并給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。我們還將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展思路，將更先進(jìn)的VariableContour (可變軸輪廓銑) 等加工模塊應(yīng)用于數(shù)控加工中，讓這一先進(jìn)的制造技術(shù)繼續(xù)為企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)制造及各類加工中心(包括三軸、四軸、五軸加工中心) 的高效利用發(fā)揮巨大作用，創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益。