D型打結器齒盤的三維可視化研究

劉明珍，楊文敏，方志超，韓業翔

(湖南農業大學 機電工程學院，湖南 長沙 410128)

0 引 言

可視化技術是以三維表現技術再現三維世界中的物體，利用三維形體來表示復雜的信息。它通過一種仿真的、三維的并且具有實時交互能力的方式來傳遞信息。三維可視化工藝是在虛擬環境下，借助虛擬現實技術的可視性特征，對工藝信息和零件加工結果進行圖形圖像處理與顯示，以達到工藝信息直觀可感知的目的[1]。通過機加工工藝的可視化，實現工藝設計信息的可視化提取、交互和修改，為傳統加工工藝提供信息；實現機械加工藝現場信息的可視化認知、提取和交換，改變傳統以紙質文檔傳遞信息的模式；車間現場能將工藝更改建議以可視化的形式進行反饋。

虛擬環境可以提供給設計者以及現場人員多方面的感觀認識，其中視覺感受可以有顏色、大小、形狀等，顏色通常給人以直接的視覺沖擊。

目前張志航[2]、周亞麗[3]等人進行了裝配工藝三維可視化研究，面向裝配工藝的設計仿真，實現了利用三維裝配動畫表達裝配工藝過程，但面向機加工藝設計仍然沒有突破二維工藝卡片與簡圖的局限。

該文以D型打結器為例，通過對其重要零部件進行可視化加工工藝的研究與加工仿真動畫的制作，介紹以SolidWorks CAM為平臺實現加工工藝可視化的方法。

1 SolidWorks CAM模塊介紹

SolidWorks CAM是一款基于直觀的三維實體模型的CAM軟件，其原型完整版是CAMWorks，是一款研制的高效、智能的數控加工編程軟件，運行于Windows系統是專門為SolidWorks 配套開發的 CAM 模塊[4]。其基于特征加工制造系統，可以自動識別多種加工特征，刀具軌跡的生成無須離開 SolidWorks 的軟件環境，可直接調用 SolidWorks 生成的三維零件模型來生成刀具的加工軌跡，保證加工出的零件與創建的零件模型一致。

SolidWorks CAM基于數據庫技術，獨創的自動特征識別AFR (Automatic Feature Recognition)與交互特征識別IFR(Interactive Feature Recognition)技術，代表著當前CAM技術發展的主流。它能自動提取實體模型的加工工藝參數，通過內置功能完善的知識庫TechDB(Technology Database)支持，自動形成加工工序結構樹。可以直接從知識庫中提取所需要的加工工藝信息，也可對數據庫進行修改和管理。運用SolidWorks CAM進行可視化加工工藝仿真動畫的制作流程如圖1所示。

圖1 可視化加工工藝制作流程

2 D型打結器結構及工作原理

D型打結器主要由機架、驅動齒盤及夾繩機構(夾繩片、夾繩盤、褪繩片 、蝸桿錐齒輪、蝸桿、蝸輪)、繞扣鉗咬機構(打結嘴組件、打結鉗嘴錐齒輪)、割繩脫繩扣機構等相關執行的零部件機構組成，如圖2所示。

圖2 D型打結器三維模型圖

D型打結器工作時，秸稈通過喂入裝置進入打捆機打捆箱，通過打捆機壓縮機構將秸稈壓縮成一層層片體，井且緩慢向出草捆方向移動，當移動固定的位移后，捆長控制機構檢測到草捆長度合格后，在拉簧的作用下，打結離合器結合，驅動齒盤轉動一圈，打結結束，進入下一工作循環。動力由打結器主軸傳遞到驅動齒盤，帶動驅動齒盤轉動、驅動齒盤通過齒盤外齒、齒盤內齒和凸輪輪廓將動力分別傳送到打結鉗嘴夾繩機構以及割繩桿，進行一系列緊湊的打捆動作，驅動齒盤轉動一周，打結工作完成[5]。D型打結器工作原理如圖3所示。

圖3 D型打結器工作原理圖

驅動齒盤是保證D型打結器各機構運動精確性的部件，起著至關重要的作用，其加工需要保證十分的精度。所以以驅動齒盤為例進行加工工藝可視化仿真動畫制作。

3 可視化加工工藝實現

3.1 提取可加工特征

特征加工可直接利用 CAD 造型中設置的模型特征參數，不僅減少了加工對象和參數的重復輸入，而且還可以模型特征為 紐帶，將 CAD/CAM 系統連接起來，實現設計和制造數據的動態關聯[6]。這種以實體模型的幾何特征為加工對象、以特征參數為加工依據的編程方式，稱為特征加工，有時也稱為實體加工。特征加工并不是簡單的以實體模型為加工對象，而是能識別出實體模型的加工特征及其參數，再以加工特征為依據，貫穿于整個加工過程，主要包括特征識別、加工方法選擇、加工特征參數設置特征修改。

SolidWorks CAM通過自動特征識別或交互特征識別技術，識別出待加工特征的幾何形狀、尺寸參數及所采用的加工策略等信息，并按特征類型自動進行分組。如圖4所示。

圖4 SolidWorks CAM自動特征識別

采用SolidWorks CAM識別出的待加工特征。針對待加工特征，選擇加工方法后，可采用系統默認的刀具路徑樣式參數或對其進行修改，而無需重復輸入模型相關的幾何參數，大大減少了編程過程中數據輸入。而 SolidWorks CAM通過智能化數據庫技術，將設計和制造數據相關聯，有利于特征更改后刀具路徑的自動生成。

根據該驅動齒盤零件的特點，經過操作后，對于生成的加工內容，是按照順序進行排列的，根據生產實際情況，只要調整加工特征樹中的順序，就能夠方便地調整實際加工順序，而且后續的工作也不需要重新設置，軟件系統會提醒自動更新。

3.2 生成操作計劃

生成操作計劃，是指根據加工內容所進行的加工刀具的選擇和設置、加工方式的選取等內容[7]。操作計劃是一個中間過程，特征識別解決的是選取什么的問題，操作計劃解決的是怎么處理的問題，驅動齒盤的加工操作計劃如圖5所示。

圖5 驅動齒盤加工的操作計劃

從圖5可以看出，相應的刀具對應著加工內容。根據特征，軟件系統在工藝數據庫的基礎上，自動提供相應的加工方案，能夠按照相關的約束進行處理。系統自動處理的操作計劃同特征識別一樣，也是可以進行人工編輯和修改的。由于實際生產狀況的變化，可能缺少相關尺寸的刀具，或者受某種加工設備的限制，需要進行重新組織加工方法的，可以在操作計劃單中進行人為的調整。調整后的計劃，將自動儲存在系統中，系統會提醒操作者進行更新。

3.3 生成刀具軌跡

單擊“生成刀具軌跡”按鈕后，系統根據識別的特征形狀、尺寸大小及操作參數，自動生成加工特征的刀具路徑，如圖6所示。

3.4 刀具路徑模擬

為了驗證刀具路徑是否正確，還必須對生成的刀具路徑進行模擬，直到滿足用需求為止，如圖7 所示。

刀具參數和加工參數設置完成后，就可以生成加工刀具路徑[8]。生成的刀具路徑是否合理，還要校驗刀具路徑。在校驗刀具路徑時，觀察路徑是否簡略，有無冗余的刀具路徑，在保證精度的情況下，減少空走刀的時間，提高加工效率。在完成了刀具參數、加工參數設置、校驗刀具路徑后，可以對零件實體虛擬加工，圖8就是從開始到虛擬加工結束，幾個典型的虛擬加工效果圖。

圖6 定義刀具軌跡

圖7 刀具路徑仿真 圖8 虛擬加工過程圖

3.5 程序后置處理

已編輯好的刀具加工路徑，通過后置處理，可按程序段一步步生成代碼，也可一次完整地生成代碼程序，如圖9所示。

圖9 后置處理代碼輸出圖

后置代碼一般生成比較長。對于經過驗證的刀具軌跡，操作者如果認為已經合理，則可以通過后置處理的方式，將刀具軌跡文件“翻譯”成數控機床能夠識別的數控程序，這個過程稱為后置處理。SolidWorks CAM對刀具加工軌跡進行后置處理，對于不同數控系統，可方便地定制不同的后置處理程序，主要包括機床類型、代碼格式、程序段表達方式及加工方法等。其生成的代碼能夠快速運用到數控機床的零件加工中。

3.6 加工工藝可視化查看

SolidWorks CAMNC 編輯器對G代碼進行查看及仿真，如圖10所示，通過控制鍵查看每一階段的零件加工工藝走刀操作等情況，關聯SolidWorks CAM 進行可視化加工工藝實現過程各階段，達到零件加工工藝可視化目的。

圖10 SolidWorks CAM NC 編輯圖

4 結 語

在 SolidWorks CAM模塊下研究零件機加工工藝可視化，提出了完整的三維機加工藝應用體系結構與工作模式，建立了三維環境下設計制造全新的模式、技術、工具和環境。此研究成果很好的解決了工藝設計工作中采用的2D+3D混合產品定義方式存在的一系列問題，將極大的提高機加工藝設計環節的質量和效率，縮短產品生產、研發周期，降低企業成本。