蔡漢錫，董 剛，史艷國(guó) ，白 楊

(1燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島，066004，2沈陽市房地產(chǎn)信息中心，3中國(guó)機(jī)床總公司)

目前，CAD/CAM技術(shù)在我國(guó)尤其是中小企業(yè)應(yīng)用并不廣泛，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益并不明顯，通用的CAD/CAM軟件(UG，Pro/E)都有CAM模塊，但是這些模塊并不一定適用所有的應(yīng)用要求，因此針對(duì)特定的應(yīng)用往往需要開發(fā)特定的提取法向孔加工信息前置處理CAM軟件。國(guó)內(nèi)CAD/CAM產(chǎn)業(yè)所需的套裝軟件常常動(dòng)輒數(shù)百萬元甚至上千萬元，高昂的費(fèi)用對(duì)于中小企業(yè)是非常沉重的負(fù)擔(dān)，而且套裝軟件中的功能有些根本用不到，但是軟件使用者卻必須花錢購(gòu)買這些用不到的功能。如果能夠針對(duì)中小企業(yè)的需求構(gòu)建一個(gè)提取法向孔加工信息前置處理CAM軟件，并且在生產(chǎn)需求改變的時(shí)候才增加新的功能，將可以有效降低軟件成本［1］。為此，筆者開發(fā)擁有所開發(fā)系統(tǒng)的全部的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，有利于針對(duì)中小型企業(yè)所生產(chǎn)產(chǎn)品的特點(diǎn)做進(jìn)一步的開發(fā)，以期降低軟件成本和拓寬應(yīng)用范圍。

1 軟件總體設(shè)計(jì)框架

針對(duì)中小企業(yè)對(duì)CAM軟件的功能應(yīng)用簡(jiǎn)單、具體等特定需求，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了合適的提取法向孔加工信息的前置處理CAM軟件(以下簡(jiǎn)稱“本軟件”)。主要從應(yīng)用程序的相關(guān)接口、IGES文件和OCC模型的映射、IGES讀取過程、IGES數(shù)據(jù)模型的三維重建等方面進(jìn)行了闡述，接著介紹了從IGES曲面零件中提取法向孔加工信息的方法并最終通過軟件測(cè)試驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)的合理性。圖1為本軟件的開發(fā)流程。

1.1 IGES 文件格式

三維造型文件標(biāo)準(zhǔn)為IGES標(biāo)準(zhǔn)，IGES標(biāo)準(zhǔn)定義了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的數(shù)字表達(dá)和交換的信息結(jié)構(gòu)，該規(guī)范用CAD/CAM領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)交換［2～5］。它是為了表示幾何、拓?fù)浜头菐缀萎a(chǎn)品定義數(shù)據(jù)而定義的一種格式規(guī)范。該規(guī)范還支持用電子通訊協(xié)議(在其他標(biāo)準(zhǔn)中定義的)或者是物理介質(zhì)所進(jìn)行的數(shù)據(jù)的交換［6］。IGES標(biāo)準(zhǔn)描述了用于“產(chǎn)品”物理對(duì)象的基本工程特性的信息交換框架。這些特性描述了產(chǎn)品的形狀、尺寸、特征等信息，整個(gè)IGES文件共分為5個(gè)區(qū):起始區(qū)S，全局區(qū)G，目錄入口區(qū)D，參數(shù)區(qū)P，結(jié)束區(qū)T。S為注釋數(shù)據(jù)，G為描述全局特性，D為實(shí)體數(shù)據(jù)的索引，P為描述每一個(gè)實(shí)體的參數(shù)數(shù)據(jù)，T包含上面各段的數(shù)目信息。

1.2 IGES文件讀取和三維重建

CAD/CAM軟件一般是基于幾何內(nèi)核開發(fā)。例如，AutoCAD的系統(tǒng)內(nèi)核為ACIS;Pro/E，UG，Solid-Works和SolidEdge的內(nèi)核是parasolid。所謂的幾何內(nèi)核實(shí)際上是一個(gè)類庫(kù)，里面定義了圖形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式以及大量的圖形算法，Open CASCADE是一個(gè)開源碼的幾何內(nèi)核，正是因?yàn)镺pen CASCADE源代碼是完全免費(fèi)開放的，所以本軟件開發(fā)選擇幾何內(nèi)核為Open CASCADE，該內(nèi)核可以查閱http://www.opencascade.org。本軟件讀取IGES自由曲面的結(jié)果如圖2所示。

2 法向孔加工信息相關(guān)實(shí)體介紹

介紹法向孔加工信息之前首先介紹IGES幾個(gè)重要的實(shí)體類型。

點(diǎn)實(shí)體:類型號(hào)為116，點(diǎn)(Point)由它在定義空間中的坐標(biāo)來定義，表1是其參數(shù)區(qū)的數(shù)據(jù)［7］。

圓弧實(shí)體:類型號(hào)為110，圓弧(Circular Arc)是不同的始點(diǎn)和終點(diǎn)的圓的連接部分。通常選擇定義空間坐標(biāo)系，使該圓弧所在平面與XT，YT平面平行或重合。表2是其參數(shù)區(qū)的數(shù)據(jù)。

變換矩陣實(shí)體:類型號(hào)為124，變換矩陣實(shí)體(Transformation Matrix Entity)是通過一個(gè)矩陣乘法，然后是一個(gè)矢量的加法來變換三行的列矢量，表3是其參數(shù)區(qū)的數(shù)據(jù)。

圖1 自由曲面零件法向孔數(shù)控加工前置處理CAM軟件的開發(fā)流程

圖2 IGES自由曲面文件

表1 IGES文件中點(diǎn)實(shí)體參數(shù)數(shù)據(jù)

表2 IGES文件中圓弧實(shí)體參數(shù)數(shù)據(jù)

表3 IGES文件中變換矩陣實(shí)體參數(shù)數(shù)據(jù)

3 法向孔加工信息計(jì)算

使用C語言將IGES文件打開后提取出點(diǎn)實(shí)體116，圓弧實(shí)體110，變換矩陣實(shí)體124，提取出相關(guān)數(shù)據(jù)。由116實(shí)體數(shù)據(jù)可以得到法向孔中心的坐標(biāo)，有110實(shí)體數(shù)據(jù)可以得到法向孔直徑的大小，由110實(shí)體數(shù)據(jù)和124實(shí)體數(shù)據(jù)可以得到法向孔的方向向量。從IGES曲面零件中提取法向孔加工信息的求解方法如下:

根據(jù)上述公式可以求出法向孔的加工信息，然后再結(jié)合五軸加工和機(jī)床的相關(guān)規(guī)則可自動(dòng)生成數(shù)控加工的刀具軌跡，刀軌文件中包含切削點(diǎn)刀心數(shù)據(jù)的GOTO語句，還有控制機(jī)床的其他指令信息［8］。這些刀軌文件不能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床，首先需要將刀軌文件進(jìn)行后處理，使之符合某一個(gè)機(jī)床/控制系統(tǒng)的要求，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)進(jìn)行曲面零件法向孔的加工。

4 軟件功能測(cè)試

首先，通過UG4.0做一個(gè)帶有法向孔的曲面零件名為file1.prt，然后利用UG4.0的前置處理器將file1.prt轉(zhuǎn)換為file1.igs作為本次的實(shí)驗(yàn)文件。在UG4.0中打開該文件如圖3所示。

用本軟件讀取并重建上述三維造型文件結(jié)果如圖4所示。

圖3 UG4.0下的file1.igs

圖4 本軟件讀取file1.igs

圖3所示的工件的法向孔的加工刀具軌跡文件如下:

將刀具軌跡文件按照特定的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行后置處理就能生成NC代碼，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床對(duì)該零件上的法向孔進(jìn)行加工。

5 總 結(jié)

本次開發(fā)是針對(duì)中小企業(yè)的需求，構(gòu)建了一個(gè)提取法向孔加工信息前置處理CAM軟件。提出了從IGES曲面零件中提取法向孔加工信息的方法并生成刀軌文件，最終通過軟件測(cè)試驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)的合理性。本次研究和開發(fā)能很大程度上提高CAM軟件在中小企業(yè)的的普及率。

［1］ 杜學(xué)文，曾盛綽，廖小平，等.數(shù)控CAD/CAM技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2004，17(3):80-84.

［2］ 王清華.基于IGES的NURBS曲面在線檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2012:23-26.

［3］ 張毅.IGES圖形瀏覽器的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2009:1-5.

［4］ 孫偉寧.三維圖形瀏覽系統(tǒng)IGES后處理器的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.杭州:浙江大學(xué)，2002:1-9.

［5］ IGES Organization，Initial Graphics Exchange specification［M］.Version5 X，NewYork:ISO，1999.

［6］ DAI Baisheng，QIAO Jinyou.Research on STEP-based 3D Model Reconstruction and Feature Recognition［C］//MACE，2010.

［7］ 黃堪豐，張平，簡(jiǎn)啟廉.基于NURBS曲線的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控插補(bǔ)算法研究［J］.機(jī)床與液壓，2009，37(10):54-57，29.

［8］ 莊朱協(xié)，王煒，嚴(yán)岳剛.基于加速度雙曲線的五軸聯(lián)動(dòng)NURBS曲線插補(bǔ)算法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(2):39-41.

(責(zé)任編輯:朱寶昌)