基于3D Max與UG復(fù)雜曲面設(shè)計與NC加工

袁驚滔

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基于3D Max與UG復(fù)雜曲面設(shè)計與NC加工

袁驚滔

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西咸陽712000）

復(fù)雜曲面模型不論是在軟件造型方面還是在機械加工方面都是制造業(yè)中的難點，采用3D Max與UG相結(jié)合加工復(fù)雜曲面的方法，并以復(fù)雜曲面（人頭）為例，介紹了3D Max 2010曲面建模，進行圖形文件格式的轉(zhuǎn)換，將其導(dǎo)入UG NX 8.0，通過對復(fù)雜曲面的加工工藝分析，實現(xiàn)對復(fù)雜曲面的數(shù)控仿真加工以及程序的后處理。

復(fù)雜曲面 3DMax 仿真加工 UG

UG是現(xiàn)代制造業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的CAD/CAM軟件之一，具有強大的建模造型和仿真加工功能，但是一些復(fù)雜的自由曲面比如人頭的造型設(shè)計，在UG中基于圖片進行建模的任務(wù)是很難完成的。3D Max是目前世界上被廣泛應(yīng)用的人物角色三維造型和動畫軟件，強大的三維造型功能使得它更方便快捷的基于圖片對復(fù)雜曲面進行建模。本文采用3D Max基于圖片建模和UG的加工模塊進行仿真加工，將兩者結(jié)合起來實現(xiàn)對復(fù)雜曲面（人頭）的仿真加工的方法。

1 3D MAX人頭模型制作

1.1 人頭建模素材準(zhǔn)備

利用圖片進行建模，需要將主視圖、側(cè)視圖的圖片分別設(shè)置為3D Max的主、側(cè)視圖背景，人頭主側(cè)視圖中的人頭圖像需要高平齊，人頭模型輪廓的左右寬度由主視圖確定、前后寬度由側(cè)視圖確定。從設(shè)置的背景圖片中人頭的輪廓提取線條來繪制多邊形，再使用多邊形進行建模，通過主、左視圖對多邊形進行調(diào)節(jié)，最終達到建模要求。人頭建模的主視圖、側(cè)視圖圖片，如圖1所示。

圖1 人頭視圖

1.2 人頭建模工作流程

1.2.1人頭模型建模法則

（1）保持較精簡的精度。

（2）盡量使用四方形，三角形在有必要的情況下才使用。我們不應(yīng)該完全避免三角形，雖然這樣會造成模型變得不完美，但能幫助我們節(jié)約不必要的循環(huán)“邊”和“面”。

（3）避免產(chǎn)生五邊形。如果出現(xiàn)五邊形，就從五邊形的五個點中的某一個點，向點的對邊引垂線，這樣即可化解五邊形為兩個四邊形。

（4）避免極點。極點是超過4條邊相交的點，雖然完全避免極點出現(xiàn)是不可能的，但應(yīng)該盡量把這些點隱藏在肌肉運動幅度小的地方或主視線以外的地方，因為極點會造成模型光滑后不完美。

（5）布線疏密有度。一般情況下，越簡單的刻畫出結(jié)構(gòu)越好，但有時太少的先會導(dǎo)致肌肉變形不可控。疏密的安排基本可遵循一個規(guī)律：動則平均，靜則結(jié)構(gòu)。即運動幅度大的地方線條密集且排布均勻；變形小的地方，在布線時可不用考慮伸展性，只要求表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)。

（6）多邊形應(yīng)盡可能地飽滿或四方，避免長窄或扭曲（有些在生成皺紋的時候可以接受）。

（7）面部或表情的“邊”的走向不應(yīng)該交叉產(chǎn)生，最不理想的情況是面部的拓?fù)溲?5°交錯向下。

（8）最困難的事是在盡量展現(xiàn)模型細(xì)節(jié)和控制面數(shù)之間找到平衡點。模型的邊數(shù)和面數(shù)越多，效果就越真實且準(zhǔn)確，但是編輯起來就越困難。

采用3DMax對復(fù)雜曲面（人頭）進行造型，對其建模有多邊形建模（Polygon Modeling）、細(xì)分建模（Sub-D Modeling）、雕刻建模（Zbrush/Mudbox Sculpting Modeling）等多種建模方式，但多邊形建模是最流行、最基礎(chǔ)、最重要且最直接的一種建模方法[1]。因此采用多邊形建模方式對復(fù)雜曲面（人頭）進行建模造型，建模操作流程如圖2所示。

圖2 人頭建模工作流程

1.2.2人頭模型制作

通過創(chuàng)建平面模型，對人頭的各個部位進行覆蓋，從而將平面模型轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形，進而對多邊形的點，參照主、左視圖中導(dǎo)入的圖片背景，在立體空間中調(diào)節(jié)修改實現(xiàn)復(fù)雜曲面（人頭）的造型建模如圖3所示，得到的模型如圖4所示。最后切換到NURBS狀態(tài)下，得到的模型如圖5所示。

圖3 人臉各部建模效果圖

圖4 人頭造型建模

圖5 NURBS狀態(tài)模型

2 人頭模型仿真加工過程

STL是一種為快速原型制造技術(shù)服務(wù)的三維圖形文件格式。3D Max將圖5所示的模型導(dǎo)出并保存為STL格式的文件，再將該文件導(dǎo)入到UG，模型為小平面體幾何圖形，再用加工模塊進行仿真加工。

從3D Max導(dǎo)入UG后的人頭模型，是一種小平面體幾何圖形，且這種小平面體在UG建模模塊中無法通過相關(guān)的操作進行修改達到實體化或?qū)⑶娣指睿捎谩白冚S輪廓銑”時，從驅(qū)動幾何體上產(chǎn)生的驅(qū)動點無法投射到部件幾何體（人頭）上[2]。因此刀具無法從驅(qū)動點沿著投射方向移動接觸到部件幾何體，從而無法產(chǎn)生刀軌，即“變軸輪廓銑”的加工對象不能是小平面體模型。最終加工工藝如下[3]。

2.1 粗加工

銑削方式的確定：由于是進行大量材料的切除，選“型腔銑”[4]。

加工方式的確定：先加工人臉，再加工人臉的兩側(cè)，由于兩側(cè)對稱，故在加工完人臉后選用先加工右側(cè)，后加工左側(cè)。

加工余量的確定：根據(jù)《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)》確定其余量為1mm。

刀具的確定：在粗加工的時候要進行大量余料的切削，且為了使刀能承受較大的切削力，所以選擇直徑為20 mm的立銑刀。

刀軸的確定：加工人臉時刀軸選擇軸負(fù)方向，加工右側(cè)時刀軸選擇軸正方向，加工左側(cè)時刀軸選擇軸負(fù)方向[5]。

刀軌設(shè)置的確定：由于粗加工是用于大量余料的切削，為了節(jié)約時間，（切削層厚度分別為:人臉切削層厚度140 mm，右側(cè)切削層厚度135 mm（側(cè)面頂垂直向內(nèi)），左側(cè)切削層厚度140 mm；）每刀的深度設(shè)置為4 mm；切削參數(shù)的設(shè)置為順銑（為了保證表面質(zhì)量）；余量為1mm；非切削移動的設(shè)置為開放區(qū)域選“圓弧”進刀類型；主軸速度的設(shè)置為3 000 rpm（其它自動計算），其它采用默認(rèn)值。刀軌如圖6所示。

圖6 粗加工刀路

2.2 半精加工

銑削方式的確定：由于人頭模型的曲面較為復(fù)雜，部分粗加工后所留材料殘余較多，故選“型腔銑”和“固定軸輪廓銑”去除，以便于精加工。

加工方式的確定：先利用“型腔銑”去掉人頭模型頭頂?shù)拇旨庸さ拇罅坎牧蠚堄?，其它部分采用“固定軸輪廓銑”，由于是固定軸，所以采用的方法和粗加工一樣。

加工余量的確定：根據(jù)《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)》確定其余量為0.3mm。

驅(qū)動方法的確定：采用“固定軸輪廓銑”的部分選擇“曲面驅(qū)動方法”，切削模式采用“往復(fù)”，“步距”采用設(shè)置為“數(shù)量”，再根據(jù)加工的方位設(shè)置不同的數(shù)值。

投影矢量的確定：采用“固定軸輪廓銑”時，由于是固定軸，故選“刀軸”。

刀具的確定：在半精加工時，切削量較小且為了使加工的曲面展現(xiàn)出來，所以選擇直徑為10mm的球頭銑刀。

刀軸的確定：“型腔銑”時由于是固定軸，所以加工人頭頭頂時，刀軸選擇正方向；采用“固定軸輪廓銑”時，由于和粗加工同樣的原因，所以加工右側(cè)時刀軸選擇正方向，當(dāng)加工左側(cè)時刀軸選擇負(fù)方向。

刀軌設(shè)置：采用“MILL_SEMI_FINISH”，在切削參數(shù)中設(shè)置為：順銑（為了保證表面質(zhì)量），余量為0.3 mm；非切削移動的“進刀類型”設(shè)置為“圓弧—平行于刀軸”；為了提高表面質(zhì)量，主軸速度的設(shè)置為：4 000 rpm（其它自動計算）。刀軌如圖7所示。

圖7 半精加工刀路

2.3 精加工

由于前面所述原因，小平面體模型無法采用變軸輪廓銑。因此人頭模型精加工仿真同樣采用固定輪廓銑。人頭模型精加工仿真時，部分區(qū)域采用驅(qū)動方法為螺旋式。刀軌如圖8所示。

圖8 精加工刀路

（1）對于人的臉部、右耳朵部分、左耳朵部分，腦后部分采用驅(qū)動方法為螺旋式，其最大螺旋半徑分別為100 mm、80 mm、80 mm、80 mm。刀軸的指定矢量分別為軸正方向，軸正方向，軸負(fù)方向，軸負(fù)方向。

（2）由于采用驅(qū)動方法為螺旋式精加工仿真的四部分，刀軌無法全部覆蓋人頭模型四周，因此對人臉兩側(cè)再利用驅(qū)動方法為曲面進行精加工，去除殘余材料。其操作方法與半精加工固定輪廓銑相同，將步距數(shù)設(shè)置為300。

（3）人頭模型頂部，在以上精加工過程，由于采用固定輪廓銑，刀軸始終平行，無法將頭頂?shù)牟牧蠚堄嗤耆コ?，所以采用?qū)動方法為螺旋式的固定輪廓銑對頭頂進行加工。

最終利用UG仿真加工得到的復(fù)雜曲面（人頭）如圖9所示。

圖9 最終加工結(jié)果

3 結(jié)語

采用3D Max與UG相結(jié)合加工復(fù)雜曲面的方法，并以復(fù)雜曲面（人頭）為例，用3D Max 2010曲面建模，進行圖形文件格式的轉(zhuǎn)換，將其導(dǎo)入與UG NX 8.0，通過對復(fù)雜曲面進行加工工藝分析，設(shè)計復(fù)雜曲面的加工工藝，利用UG的加工模塊在電腦上實現(xiàn)對復(fù)雜曲面的數(shù)控仿真加工。最終通過仿真加工的獲取代碼進行后處理，從而得到相應(yīng)的數(shù)控加工程序。

由于從3D Max導(dǎo)入UG后的復(fù)雜曲面模型，是一種小平面體，并且這種小平面體在UG建模模塊中無法通過相關(guān)的建模操作進行修改?，F(xiàn)代CAD／CAM技術(shù)日趨成熟，實體建模技術(shù)在各種軟件中的相互兼容性也愈來愈強大，圖形格式逐漸標(biāo)準(zhǔn)化，我們還可以尋找實現(xiàn)3D Max 2010與UG NX 8.0之間的圖形轉(zhuǎn)換或者通過中間軟件以及編程實現(xiàn)對接的方式。

[1] 張曉,李奇.3ds Max 2011三維藝術(shù)設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[2] 李強,其木格.基于UG的數(shù)控編程及加工過程仿真[J].機械設(shè)計與制造,2007,8:107-109.

[3] 賈振元,王福吉.機械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

[4] 謝龍漢.UG NX 8.0數(shù)控編程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.

[5] 高長銀,李萬全,黎勝容.UG NX 7.5多軸數(shù)控加工典型實例詳解[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.