基于CATIA V5的逆向工程在工裝制造中的應(yīng)用

石 磊

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院（沈陽 110161）

在產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)與制造過程中，隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展以及計算機(jī)技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，許多產(chǎn)品是以實物樣件的形式給出，而并非CAD模型形式描述，這就需要通過一定的方法與手段，把這些實物樣件轉(zhuǎn)化成CAD模型，使其能夠使用CADCAM一體化技術(shù)進(jìn)行分析與處理。這種通過復(fù)現(xiàn)實物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)字模型的技術(shù)被稱為“逆向工程”，即從已有的物理模型或?qū)嵨飿蛹上鄳?yīng)的 CAD模型，輸出NC加工程序制造出產(chǎn)品的過程。以某液壓成形零件工裝為依據(jù)，論述了通過逆向工程技術(shù)進(jìn)行工裝制造的全過程，通過對工裝的傳統(tǒng)加工路線和數(shù)字化加工形式進(jìn)行分析比較，得出采用數(shù)字化加工方案，不僅能滿足工裝制造要求，還能縮短制造周期，有效提高生產(chǎn)。

1 傳統(tǒng)的工藝路線與數(shù)字化加工工藝路線的比較

傳統(tǒng)的工藝路線：先按展開及外形樣板制取切面樣板，一般由線切割加工→對工件基準(zhǔn)面進(jìn)行粗精加工，常采用刨削和磨削來完成→由鉗工依據(jù)切面樣板反復(fù)剔切面→通過反復(fù)多次的劃銑過程使工裝基本成形→鉗工按樣板修研、打光型面→按外形樣板劃銑蓋板→鉗工按樣板修研、打光型面，蓋板成形→配銑多余量及齊平四周。其中鉗工剔切面大約需兩周，劃銑大約需兩周，鉗工修研需兩周，再加上其他工序的協(xié)調(diào)周轉(zhuǎn)約10天左右，制造周期大概為兩個月。這樣的制造方法在加工中需反復(fù)多次的劃銑，并且鉗工修研時間較長。

數(shù)字化加工工藝路線：先對工件基準(zhǔn)面進(jìn)行粗精加工，常采用刨削和磨削來完成→采用三坐標(biāo)測量機(jī)對原外形及展開樣板進(jìn)行測量，得到點云數(shù)據(jù)形成幾何建模→通過 CATIA V5軟件進(jìn)行實體建模，并編制NC程序加工型面，制孔→鉗工打光型面，并按樣板劃零件邊線，按依據(jù)樣板測量、檢驗。這樣的方法制造周期約為兩周，其中數(shù)控加工約為6天，鉗工打光約為4天，其他工序及協(xié)調(diào)周轉(zhuǎn)約4天左右。

通過對傳統(tǒng)加工工藝路線與數(shù)字化加工工藝路線的分析和比較，數(shù)字化加工的制造方案既能滿足加工技術(shù)要求又能縮短生產(chǎn)周期，有效提高生產(chǎn)效率，故采用數(shù)字化加工方案進(jìn)行加工。

2 通過逆向工程實現(xiàn)數(shù)字化加工的全過程

首先，通過三坐標(biāo)測量機(jī)將原外形及展開樣板通過測量掃描手段，獲得均布的點云數(shù)據(jù)，再通過點云數(shù)據(jù)建立三維數(shù)模；其次，通過CATIA V5軟件的繪圖功能及草圖編輯功能將電子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可編輯的CATIA V5的草圖格式；再次，通過CATIA V5軟件的實體造型功能，結(jié)合使用零件設(shè)計和創(chuàng)成式外形設(shè)計功能完成該工裝的各個零件的三維實體造型；然后，使用CATIA V5軟件中的數(shù)控加工編程工作平臺，對工件進(jìn)行編程及模擬仿真加工；最后，在加工前進(jìn)行后置處理，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備要求生成與之相匹配的NC代碼。

3 基于CATIA V5軟件對工裝進(jìn)行制造的具體過程

3.1 數(shù)控加工基準(zhǔn)的建立

數(shù)控加工基準(zhǔn)的建立主要是建立基準(zhǔn)孔，根據(jù)保證設(shè)計基準(zhǔn)、數(shù)控編程基準(zhǔn)、數(shù)控加工找正基準(zhǔn)及測量檢驗基準(zhǔn)相統(tǒng)一的原則，建立基準(zhǔn)孔的目的主要是用于零件數(shù)據(jù)集的設(shè)計、工裝數(shù)據(jù)集的設(shè)計、工裝程序編制、工裝零件找正及測量檢驗的基準(zhǔn)。

3.2 數(shù)控加工毛坯的選擇與確定

根據(jù)數(shù)控加工工藝的基本原則，對于數(shù)控加工毛坯的確定，應(yīng)基于實測毛坯尺寸，盡量避免程序空行程，盡量節(jié)約加工時間，盡可能優(yōu)化數(shù)控加工軌跡。

3.3 數(shù)控加工工序安排

根據(jù)工裝型面的特點，按照粗精加工方法劃分?jǐn)?shù)控加工工序。

粗加工時，盡量選擇可切削量大的刀具，采用φ6 6 R3.5粗銑刀，使用Roughing等層粗加工命令，按刀具及待加工工件材料確定數(shù)控加工編程中的各項工藝參數(shù)，并生成刀具加工軌跡。

半精加工時，采用φ40球刀，使用 Zlevel方式加工型面，加工余量為0.4 mm，刀具進(jìn)給速度1500 mm/min，刀具轉(zhuǎn)速3000 r/min，進(jìn)給量為2 mm。

精加工時，采用φ30球刀，使用 Zlevel方式加工型面，刀具進(jìn)給速度4000 mm/min，刀具轉(zhuǎn)速5000 r/min，進(jìn)給量為0.3 mm。

精加工時，采用φ30球刀，使用 Zlevel方式加工型面，進(jìn)給量為0.3 mm，加工余量為0，進(jìn)給速度4000 mm/min，刀具轉(zhuǎn)速5000 r/min。

3.4 數(shù)控程序仿真加工

按照數(shù)控加工工藝的基本原則，為保證編制的加工程序能符合零件的技術(shù)要求，盡量避免在編制程序過程中出現(xiàn)的錯誤而導(dǎo)致零件或刀具造成損壞或報廢的結(jié)果，有必要在數(shù)控加工編程之后，對數(shù)控加工程序進(jìn)行模擬仿真。數(shù)控加工仿真可以通過軟件模擬加工環(huán)境、刀具路徑以及材料切除過程，從而來檢驗并優(yōu)化加工程序。經(jīng)過計算機(jī)仿真加工驗證的刀具軌跡，可取代試切加工或試運(yùn)行過程，或大大縮短產(chǎn)品研制周期，降低制造成本，并且可避免加工過程中設(shè)備與零件及夾具等的碰撞，保證加工過程的安全性。

首先進(jìn)行工藝系統(tǒng)分析，明確機(jī)床系統(tǒng)及型號、機(jī)床結(jié)構(gòu)形式和尺寸、機(jī)床運(yùn)動原理和機(jī)床坐標(biāo)系，然后進(jìn)行準(zhǔn)確定位，最后設(shè)置機(jī)床參數(shù)。將零件模型變換到加工位置計算出刀具軌跡，再以此軌跡進(jìn)行切削過程、刀位軌跡及機(jī)床運(yùn)動的三維動態(tài)仿真。這樣就能夠清楚的監(jiān)控到零件加工過程中的過切與欠切、刀桿及聯(lián)接部件與零件、機(jī)床各運(yùn)動部件與零件及夾具間的干涉碰撞情況，從而保證了數(shù)控編程的質(zhì)量，減少了試切的工作量及勞動強(qiáng)度，提高了編程了一次性成功率，縮短了產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)的周期，大大提高了生產(chǎn)率。

3.5 數(shù)控加工程序后置處理

后置處理是數(shù)控編程的一個重要環(huán)節(jié)，它將仿真加工生成的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實際加工時機(jī)床所識別的數(shù)據(jù)。后置處理最基本的兩個要素就是程序數(shù)據(jù)和后置處理器。首先了解加工時所使用的三坐標(biāo)數(shù)控鏜銑床的結(jié)構(gòu)、機(jī)床附件、機(jī)床具備的功能及實現(xiàn)這些功能的方式和機(jī)床配備的數(shù)控系統(tǒng)；熟悉該數(shù)控系統(tǒng)的編程規(guī)則，包括功能代碼的組成、指令格式等；然后使用CATIA V5軟件的后置處理器導(dǎo)向模塊，將程序進(jìn)行編譯，并轉(zhuǎn)換成可控制機(jī)床加工的NC代碼。

4 結(jié)束語

通過逆向工程實現(xiàn)工裝由按樣板制造轉(zhuǎn)變到數(shù)字化制造是一涉及知識面廣、領(lǐng)域諸多的復(fù)雜流程，同時也是從傳統(tǒng)工藝過程向數(shù)字化加工工藝過程發(fā)展及轉(zhuǎn)變的必然過程。應(yīng)用逆向工程完成該工裝從測量（掃描）→三維建模→數(shù)控編程→模擬仿真→后置處理的過程，實現(xiàn)了由按樣板制造的傳統(tǒng)加工工藝路線到數(shù)字化加工工藝路線的轉(zhuǎn)變，達(dá)到了工裝制造的技術(shù)要求，設(shè)計制造周期由原來的兩個月縮短為兩周，大大地提高了生產(chǎn)效率。