復(fù)雜曲面CAM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究

蕭仲敏

XIAO Zhong-min

（廣州大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

為便于操作者簡(jiǎn)單直觀地使用，復(fù)雜曲面CAM系統(tǒng)的用戶界面分為主界面和人機(jī)對(duì)話窗口。主界面采用標(biāo)準(zhǔn)的窗口形式，對(duì)其菜單項(xiàng)目的內(nèi)容作了修改，刪除無(wú)關(guān)的選項(xiàng)，增加工件數(shù)據(jù)輸入、刀具輸入、刀位軌跡計(jì)算、圖形仿真、誤差分析等菜單，使用時(shí)點(diǎn)擊就可以彈出相應(yīng)的對(duì)話窗口；C++Bui1der環(huán)境默認(rèn)的窗口背景與標(biāo)準(zhǔn)窗口形式一致。軟件主要功能包括工件，刀具數(shù)據(jù)的輸入、刀位軌跡輸出、圖形仿真及誤差分析、幫助系統(tǒng)及浮動(dòng)提示等幾大部分。主界面如圖1所示。

圖1 復(fù)雜曲面CAM系統(tǒng)工作界面

為方便用戶使用，主界面上除有菜單供使用外，在工具條上還有相應(yīng)的按鈕，以快速地進(jìn)入下一級(jí)窗口。如圖1所示工具條。

1 工件數(shù)據(jù)輸入

目前許多機(jī)械零件的表面是由自由曲面構(gòu)成或是由球面、圓錐面、橢球面、螺旋面等可以用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)方程表達(dá)的曲面組合而成。因此，復(fù)雜曲面CAM[1]中包括以離散點(diǎn)表示的自由曲面的數(shù)據(jù)輸入和用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)方程表達(dá)的曲面的數(shù)據(jù)輸入能力。為了研究方便，降低程序編制的難度，并提高系統(tǒng)的適用性，在工件數(shù)據(jù)輸入處理程序中，將所有輸入數(shù)據(jù)離散后，統(tǒng)一代入以三次參數(shù)樣條函數(shù)表示的通用工件模型中，這樣無(wú)論以何種形式輸入（參數(shù)方程、離散點(diǎn)），系統(tǒng)都將使用通用數(shù)學(xué)模型表達(dá)方式。

在系統(tǒng)主界面菜單中選擇工件數(shù)據(jù)輸入按鈕，則出現(xiàn)兩個(gè)下拉子菜單，分別是離散點(diǎn)輸入，參數(shù)方程輸入。如圖2所示。

圖2 “工件數(shù)據(jù)輸入”選擇方式

選取參數(shù)方程輸入，有兩種方式，一種是直接點(diǎn)擊菜單項(xiàng)中工件數(shù)據(jù)輸入，然后從下拉菜單中選擇參數(shù)方程輸入項(xiàng)；另一種方式是直接點(diǎn)擊工具條中快速選擇按鈕。采用以上兩種方法點(diǎn)擊“參數(shù)方程輸入”按鈕之后，則彈出圖3所示的對(duì)話框在復(fù)雜曲面CAM系統(tǒng)中，有時(shí)則直接給出工件曲面上的離散點(diǎn)，此時(shí)則需采用離散點(diǎn)輸入模塊。點(diǎn)擊“離散點(diǎn)輸入”按鈕之后，則彈出圖4所示的對(duì)話框。

在“刀位軌跡計(jì)算”對(duì)話框中，需要選擇環(huán)切法或環(huán)切法加工方式，如圖5所示。“行切參數(shù)”設(shè)置區(qū)域，用于選擇加工平面與軌跡方向，填寫(xiě)行間距與步長(zhǎng)。“指定加工平面”設(shè)置區(qū)有四個(gè)加工平面單選按鈕供操作者選擇；“指定軌跡方向”設(shè)置區(qū)則有與所選加工平面對(duì)應(yīng)的兩個(gè)單選按鈕，從中選擇軌跡方向；行間距與步長(zhǎng)則需操作者直接填寫(xiě)。

“環(huán)切參數(shù)”設(shè)置區(qū)域，用于選擇運(yùn)動(dòng)平面、設(shè)置初始路徑、設(shè)置等間距與步長(zhǎng)。

圖3 “數(shù)據(jù)輸入（參數(shù)方程）”對(duì)話框

圖4 “數(shù)據(jù)輸入（離散坐標(biāo)）”對(duì)話框

圖5 “刀位軌跡計(jì)算”對(duì)話框中的“行切法”對(duì)話框

2 刀具輸入

在計(jì)算刀位軌跡時(shí)，要用到刀具，而刀具是多種多樣的，例如銑刀按模型便可建立很多中模型。所以，為使用方便，將刀具定義成通用刀具，以便用戶在計(jì)算刀位軌跡時(shí)可快速進(jìn)行選擇，這是一個(gè)急需解決的問(wèn)題，本文針對(duì)此問(wèn)題，建立了通用刀具數(shù)據(jù)庫(kù)，并制成界面，以便用戶直觀、簡(jiǎn)單地操作。

在復(fù)雜曲面CAM系統(tǒng)中設(shè)置刀具參數(shù)輸入模塊，該模塊的功能是向當(dāng)前系統(tǒng)中設(shè)置刀具參數(shù)、修改現(xiàn)有刀具參數(shù)[2]及按用戶選擇的查詢條件在指定刀具庫(kù)中查詢刀具等。

使用系統(tǒng)時(shí)，用戶可以直接從系統(tǒng)的刀具庫(kù)中選擇要使用的刀具，也可以選用刀具庫(kù)中刀具外形，通過(guò)設(shè)置不同參數(shù)來(lái)定義刀具。

單擊主界面的刀具輸入菜單，就可彈出如圖7所示的“刀具輸入”對(duì)話框。

各項(xiàng)說(shuō)明：

1）最左側(cè)為刀具通用模型，相關(guān)參數(shù)在圖中都有顯示，同時(shí)對(duì)各參數(shù)意義進(jìn)行了說(shuō)明。

圖6 “刀位軌跡計(jì)算”對(duì)話框中的“環(huán)切法”對(duì)話框

圖7 “刀具輸入”對(duì)話框

2）刀具數(shù)據(jù)選項(xiàng)卡：“刀形”區(qū)域，有八種常用刀具及通用刀具模型，操作者可根據(jù)需要，通過(guò)右側(cè)滾動(dòng)條拉動(dòng)，顯示刀具形狀，從而點(diǎn)擊所用刀具，刀具被選中后，“基本參數(shù)”設(shè)置區(qū)，默認(rèn)的數(shù)據(jù)自動(dòng)顯示在設(shè)置區(qū)內(nèi)，不可更改，其他非默認(rèn)參數(shù)則由操作者輸入。例如：選擇平頭圓柱銑刀時(shí)，平頭圓柱銑刀變成藍(lán)色可用狀態(tài)，同時(shí)系統(tǒng)默認(rèn)R2＝0，φ＝90o，?＝0；而其他非默認(rèn)參數(shù)R1、h、l則由操作者輸入。

3）“步長(zhǎng)”選項(xiàng)卡：其中有四個(gè)參數(shù)u、vv、vT、vL，此刀具的四個(gè)參數(shù)，主要用于刀位軌跡計(jì)算中，所以，在基本參數(shù)選定后，四個(gè)參數(shù)的范圍也將隨之確定，然后由操作者根據(jù)其取值范圍，輸入四個(gè)參數(shù)的步長(zhǎng)。

4）其他各項(xiàng)用法及作用與工件數(shù)據(jù)輸入界面的使用方法相同。

5）“歷史數(shù)據(jù)參照”選項(xiàng)卡：記錄所選刀具編碼、類型及相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，如圖7所示。

3 仿真及誤差分析

經(jīng)過(guò)對(duì)曲面的輸入，包括方程和離散點(diǎn)的形式，CAM系統(tǒng)對(duì)輸入曲面進(jìn)行離散，利用雙三次參數(shù)樣條函數(shù)擬合出曲面，對(duì)銑刀刀具形式的選擇后，CAM系統(tǒng)可進(jìn)行曲面的加工仿真[3]，并利用仿真結(jié)果，通過(guò)與已有的已知曲面進(jìn)行比較得到誤差數(shù)據(jù)，“仿真及誤差分析對(duì)話框”如圖8所示。

圖8 “仿真及誤差分析”對(duì)話框

4 結(jié)論

以上詳細(xì)介紹了復(fù)雜曲面CAM系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)曲面的輸入，刀具形式的選擇，及仿真參數(shù)的預(yù)設(shè)置，進(jìn)行曲面的加工仿真，并與已知曲面進(jìn)行比較后得到誤差曲線，通過(guò)變化刀具，加工步長(zhǎng)，加工方式等參數(shù)，進(jìn)行仿真，得出不同條件下的誤差曲線，可以更直觀的比較優(yōu)選出合理的加工方式及條件。

[1]于明.復(fù)雜曲面CAM系統(tǒng)主處理器研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2006.

[2]趙文珍，于明.基于遺傳算法的無(wú)干涉刀位軌跡計(jì)算[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006.

[3]周春曉.多軸NC加工仿真中的刀具掃描體的計(jì)算[J].中國(guó)機(jī)械工程，2000.