基于測(cè)量補(bǔ)償?shù)牡窨碳庸ぜ夹g(shù)研究*

李鐵鋼

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

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基于測(cè)量補(bǔ)償?shù)牡窨碳庸ぜ夹g(shù)研究*

李鐵鋼

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

為了提高平面上表面的精密雕刻精度和效率問(wèn)題，提出了基于Edgecam軟件的在線測(cè)量和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)化程序編制方法。首先，構(gòu)建了在線測(cè)量動(dòng)態(tài)補(bǔ)償編程系統(tǒng)，而后，論述了系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、曲面建模和自動(dòng)編程等關(guān)鍵技術(shù)，利用VB.NET、PCI和PDI等二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編制了程序，最后以某典型零件實(shí)例證明了該方法的有效性，實(shí)現(xiàn)了制造的智能化和快速化。

雕刻加工；補(bǔ)償編程；在線測(cè)量

0 引言

數(shù)控雕刻加工從本質(zhì)上是一種銑切加工，利用專用的雕銑刀具，在諸如小禮品等的零件材料上雕刻簽名或圖片，雕刻的深度在0.05～0.2左右不等。由于定位誤差的存在，再加上零件被加工表面的變形，將導(dǎo)致雕刻的元素刻不到平面上。由于零件的定位誤差和變形的隨機(jī)性，導(dǎo)致每個(gè)零件的加工狀態(tài)均不同，同批制造時(shí)每個(gè)零件的程序均不同，給零件的加工帶來(lái)了極大的困難。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)看，沒(méi)有涉及到精密復(fù)雜位置變動(dòng)表面的簽名數(shù)控雕刻問(wèn)題，需要加以研究實(shí)現(xiàn)快速精密加工。

現(xiàn)在為了生產(chǎn)和管理的需求，車間內(nèi)機(jī)床處于企業(yè)局域網(wǎng)中，數(shù)控程序的傳輸利用DNC等軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，為機(jī)床加工時(shí)的實(shí)時(shí)表面幾何位置信息在線測(cè)量提供了可能。

Edgecam是由VERO公司開(kāi)發(fā)的可用于數(shù)控銑的智能編程軟件，客戶數(shù)量居于獨(dú)立的CAM軟件前列，可讀取所有市場(chǎng)主流的CAM軟件的CAD數(shù)據(jù)，具有完善的客戶二次開(kāi)發(fā)工具，可定制復(fù)雜的和未知的數(shù)控程序編制功能，用于開(kāi)發(fā)復(fù)雜的數(shù)控編程系統(tǒng)[1-2]。

本文基于被加工表面元素的實(shí)際測(cè)量功能，開(kāi)發(fā)了Edgecam在線測(cè)量和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償自動(dòng)化編程系統(tǒng)，針對(duì)具體零件，自動(dòng)測(cè)量表面位置數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用數(shù)據(jù)點(diǎn)返回到Edgecam編程模塊以NURBS形式重構(gòu)被加工表面，自動(dòng)編制數(shù)控程序、生成加工程序和加工。研究了系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、在線測(cè)量、元素構(gòu)建和自動(dòng)編程等關(guān)鍵技術(shù)。

1 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的典型體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，程序的傳輸和在線測(cè)量通過(guò)局域網(wǎng)DNC服務(wù)器和客戶機(jī)的DNC服務(wù)插件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量循環(huán)、數(shù)據(jù)傳輸和程序加工功能[3]。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用在Edgecam集成應(yīng)用界面下，利用VB.NET語(yǔ)言，調(diào)用Edgecam的二次開(kāi)發(fā)工具包PCI和PDI開(kāi)發(fā)雕刻動(dòng)態(tài)編程系統(tǒng)，其中PCI為命令接口庫(kù)，提供系列化封裝的Edgecam的系統(tǒng)功能命令批處理宏；PDI為編程開(kāi)發(fā)接口庫(kù)，提供訪問(wèn)Edgecam核心數(shù)據(jù)文件的函數(shù)，能夠查詢和生成幾何元素，進(jìn)行元素的運(yùn)算，查詢和生成刀具路徑實(shí)體Entity元素，編譯生成動(dòng)態(tài)DLL程序文件供EdgecamPlugin接口模塊調(diào)用。

采用?？怂箍导す鈱?duì)刀儀35.70-OTS和紅外觸發(fā)測(cè)頭M&h IRP40.50構(gòu)建在線測(cè)量系統(tǒng)[4]，系統(tǒng)的功能流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能流程

圖2中，首先在Edgecam中針對(duì)加工表面編制測(cè)量程序，通過(guò)DNC功能，進(jìn)行在線檢測(cè)，記錄加工平面的測(cè)量數(shù)據(jù)，生成文件，反饋給編程模塊，根據(jù)測(cè)量點(diǎn)擬合曲面進(jìn)行補(bǔ)償補(bǔ)償后的表面編程和加工。

1.2 曲面建模

雕刻平面由于變形或定位的影響將變?yōu)樾逼矫婊蚯妫@里統(tǒng)一認(rèn)為其改變?yōu)榍?，需要利用機(jī)床的在線測(cè)量動(dòng)態(tài)實(shí)際測(cè)量出坐標(biāo)點(diǎn)，進(jìn)而重構(gòu)曲面，編寫數(shù)控加工程序。對(duì)于雕刻平面的測(cè)量采用逐行平行等間距采樣取點(diǎn)測(cè)量方式實(shí)現(xiàn)，測(cè)量坐標(biāo)系為編程坐標(biāo)系。

測(cè)量數(shù)據(jù)文件每行以“*”字符開(kāi)頭的行為注釋行，不起作用；以“l(fā)ine”開(kāi)頭的行表示新的一行的測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)；數(shù)據(jù)點(diǎn)每行表示1個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，以逗號(hào)分隔，從左邊開(kāi)始分別為測(cè)量點(diǎn)的X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和Z坐標(biāo)；以“end”開(kāi)頭的行表示所有的被測(cè)面的點(diǎn)測(cè)量完成。

所有被加工面的采樣點(diǎn)均按照X坐標(biāo)由小到大，Y坐標(biāo)由大到小的順序采樣，采樣點(diǎn)的行內(nèi)進(jìn)給方向沿X軸方向，采樣點(diǎn)的行間步進(jìn)方向沿Y軸方向，采樣點(diǎn)按照等間距的模式采樣，采樣點(diǎn)距離邊界向內(nèi)避讓3mm，以避免測(cè)量出邊界。

在構(gòu)造曲面時(shí)將四周的采樣點(diǎn)按照切矢量連續(xù)光滑原則向外延伸3mm。假設(shè)表面測(cè)量后，第i行為Y-向的最后1行，第j列的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)為(xi,j,yi,j,zi,j)，第i+1行第j列的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)為(xi+1,j,yi+1,j,zi+1,j)，則向Y-向延伸后的點(diǎn)的坐標(biāo)為：

同理，可以求出沿曲面四周均外伸出3mm的坐標(biāo)點(diǎn)，而后生成NURBS曲線如下：

其中，0≤u,v≤1，p,q分別為u,v方向的次數(shù)，wi,j為權(quán)因子，Pi,j為控制網(wǎng)格點(diǎn)，Ni,p(u)，Nj,q(v)分別為定義在節(jié)點(diǎn)矢量U,V上的非有理樣條基函數(shù)。

1.3 動(dòng)態(tài)自動(dòng)編程

雕刻的文字或圖片來(lái)源于圖形文件，可以使用主流的JPEG、BMP、PNG和TIFF格式文件，刀具路徑生成算法如下[5]：

(1)利用函數(shù)EdgecamPlugin進(jìn)行繼承和重載，顯示輸入界面，輸入雕刻加工的編程參數(shù)和切削加工的工藝參數(shù)；

(2)利用函數(shù)pdi.MC_Get_Turre取得刀具的參數(shù)信息，利用函數(shù)pdi.MC_Put_Turre設(shè)置刀具的參數(shù)信息；

(3)讀取雕刻圖片信息，數(shù)字圖像處理和變換，求出雕刻點(diǎn)的位置信息Pi,j(xi,j,yi,j,zi,j)；

(5)根據(jù)走刀方式計(jì)算路線的Entity，利用函數(shù)PDI.MC_Put_Poly和PDI.MC_Gen_Move生成刀具路徑元素。

設(shè)原來(lái)雕刻表面的方程為Z=z0，則雕刻深度為zh=zi,j-z0，則每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)Z的新坐標(biāo)z′為：

2 應(yīng)用實(shí)例

利用沈陽(yáng)機(jī)床VMC850立式加工中心構(gòu)建在線測(cè)量和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)窨叹幊滔到y(tǒng)，加工測(cè)試圖片如圖3所示，分辨率為1200×600，雕刻區(qū)域尺寸為60×30mm，采用凸刻方式，即文字凸出于雕刻后的表面，文字頂面在零件毛坯狀態(tài)時(shí)已經(jīng)整體打平面加工完成，雕刻時(shí)不加工，加工參數(shù)設(shè)置如表1所示，加工時(shí)間7.02min。

圖3 測(cè)試圖片

項(xiàng)目數(shù)值加工進(jìn)給率(mm/min)1000降刀進(jìn)給率(mm/min)2000轉(zhuǎn)速(rpm)6000步距(mm)0.05Z向步進(jìn)次數(shù)1理論切深(mm)0.05

加工仿真結(jié)果如圖4a所示，加工結(jié)果如圖4b所示，對(duì)加工后的零件經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，滿足質(zhì)量要求，得到了合格的零件，驗(yàn)證了方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確。

(a)仿真結(jié)果

(b)加工結(jié)果圖4 加工結(jié)果

3 結(jié)論

(1)利用在線檢測(cè)技術(shù)和Edgecam軟件開(kāi)發(fā)了基于測(cè)量補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)化雕刻編程加工系統(tǒng)，消除了被雕刻表面的位置變形影響，每個(gè)零件的測(cè)量和程序編制自動(dòng)進(jìn)行，不需要人工干預(yù)，適合于圖片和手寫簽名的平面雕刻，已經(jīng)用于某典型企業(yè)產(chǎn)品的工程實(shí)踐中。

(2)該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)也可以用于曲面的激光雕刻，同時(shí)也為其他機(jī)床的智能化、一體化動(dòng)態(tài)測(cè)量和自動(dòng)數(shù)控編程提供了借鑒。

[1] 李鐵鋼.基于Edgecam的禮品雕刻自動(dòng)編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2015(2)：29-31.

[2] 張斐, 陶建華, 劉曉初，等.基于POWERMILL的模具電極數(shù)控加工編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2010，38(12)：24-26.

[3] 李鐵鋼. 基于Edgecam的數(shù)控編程加工工藝表自動(dòng)生成技術(shù)研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2016(2)：126-128.

[4] 李鐵鋼. 基于Edgecam的在線測(cè)量和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償自動(dòng)編程技術(shù)研究[J].模具技術(shù)，2016(1)：60-63.

[5] Yoon J H , Pottmann H ,Lee Y S. Locally Optimal Cutting Positions for 5-axis Sculptured Surface Machining[J]. Computer-aided Design, 2003, 35(1)：69-81.

(編輯 李秀敏)

Engraving Research Based on Online Measurement and Automatic Compensation Programming

LI Tie-gang

(School Mechanical，Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,China)

In order to improve the accuracy and efficiency of engraving in flatness surface of part, the method of online measurement and dynamic programming based on Edgecam software was introduced. Firstly, the flowchart for intelligent system in Edgecam is proposed, then, the key technology of system design, surface modeling and automatic programming were studied, the program was written by VB.NET, PCI, PDI and others which are the secondary development language in Edgecam, finally, the case study used by machining in a enterprise validates the proposed method intelligently and rapidly.

engraving; compensation programming; online measurement

1001-2265(2017)06-0158-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.06.040

2016-10-02；

2016-10-30

遼寧省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(L201606)

李鐵鋼(1973—)，男，沈陽(yáng)人，沈陽(yáng)工程學(xué)院副教授，博士，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)，(E-mail)ltgchina@126.com。

TH122;TG506

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