用Mastercam X軟件構(gòu)建螺旋曲面時(shí)的異常問題及解決方案

馬衛(wèi)東，于 冰

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

Mastercam 是美國CNC Software 公司開發(fā)的基于PC 平臺(tái)的CAD/CAM 軟件。 它集二維繪圖、三維實(shí)體造型、曲面設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、刀具路徑模擬及實(shí)體切削驗(yàn)證等功能于一身，具有簡單直觀的幾何造型。 Mastercam 提供了設(shè)計(jì)零件外形所需的繪圖界面，而且依靠其強(qiáng)大穩(wěn)定的造型功能可設(shè)計(jì)出復(fù)雜的曲線及曲面零件。

MastercamX 版又稱為10.0 版，它是Mastercam 軟件真正實(shí)現(xiàn)windows 窗口化（包括菜單、工具欄等）的第一個(gè)版本。 Mastercam X 版的意義就像UG 出了NX 版、Proe 出了野火版、Cimatron 出了E 版等，它標(biāo)志著Mastercam 界面向更人性化功能的開發(fā)方向靠攏。 MastercamX 版還有很多其他優(yōu)秀的特性，比如：更穩(wěn)定、同樣的文件體積更小等。 但也正是由于MastercamX 版相對(duì)于9.0 版進(jìn)行了天翻地覆般的變化，在細(xì)節(jié)方面，也難以避免變革遺留的陣痛，如在螺旋曲面構(gòu)建中，就出現(xiàn)了由于軟件本身缺陷帶來的異常錯(cuò)誤。

1 構(gòu)建螺旋掃描曲面的異常問題

1.1 螺旋掃描曲面問題的出現(xiàn)

掃描曲面是將物體的截面曲線沿著一條或兩條引導(dǎo)曲線平移而形成的曲面。 用MastercamX 構(gòu)建以螺旋線為引導(dǎo)曲線的掃描曲面，有時(shí)是正常的、光滑的螺旋曲面（如圖1 所示），有時(shí)卻會(huì)出現(xiàn)曲面扭曲、變形的問題（如圖2 所示）。 得到圖1 和圖2這兩個(gè)曲面的基本做法是相同的，均是在俯視圖上繪制一個(gè)螺旋線為引導(dǎo)曲線，在前視圖上繪制一個(gè)圓為截面曲線，但進(jìn)行曲面掃描后，卻在Y 軸方位出現(xiàn)嚴(yán)重的曲面收縮、 破皺甚至扭曲現(xiàn)象（見圖2 橢圓區(qū)）。

圖1 螺旋掃描曲面圖Fig.1 Spiral scanning

圖2 掃描曲面的縮徑、變形圖Fig.2 Reducing, deformation phenomenon of scanning surface

1.2 螺旋掃描曲面的問題分析

人們起初分析該問題時(shí)，認(rèn)為是螺旋線的導(dǎo)程（pitch） 或半徑過小而截面曲線的尺寸相對(duì)過大造成的。 嘗試著用較大尺寸的截面曲線和較小的導(dǎo)程掃描出螺旋曲面。 在掃描時(shí)得知，即使當(dāng)截面曲線尺寸過大，呈現(xiàn)如圖3 的疊壓現(xiàn)象時(shí)，也不妨礙曲面的構(gòu)建。 所顯示出來的疊壓現(xiàn)象，是由截面較大而導(dǎo)程較小而自然形成的正常狀況，不能歸屬于曲面掃描的異常問題。

采集大量的假設(shè)性數(shù)據(jù)分別代入螺旋線的半徑、導(dǎo)程、錐度角、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)（Revolutions）以及截面曲線，嘗試著創(chuàng)建螺旋掃描曲面，最終判斷出能否成功地掃描出螺旋曲面與螺旋線的半徑、 導(dǎo)程、錐度角等條件沒有直接的關(guān)系，但與螺旋線的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)有著非常有趣的數(shù)理關(guān)聯(lián)性。 經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)螺旋線旋轉(zhuǎn)圈數(shù)是奇數(shù)時(shí)，可以輕松地完成螺旋曲面的掃描；而當(dāng)螺旋線的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)是偶數(shù)時(shí)，無論其他參數(shù)如何設(shè)置，均會(huì)出現(xiàn)如圖2 所示的情形。 經(jīng)分析，此問題的產(chǎn)生應(yīng)該是Mastercam軟件X 版本自身的缺陷所致。

圖3 疊壓現(xiàn)象圖Fig.3 Overlying phenomenon

圖4 螺旋線參數(shù)設(shè)置圖Fig.4 Spiral line parameter setup

2 螺旋掃描曲面異常問題的解決

為了構(gòu)建出正常的、光滑的螺旋曲面，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)要求是偶數(shù)時(shí)，可以采用旋轉(zhuǎn)圈數(shù)加減法或?qū)嶓w轉(zhuǎn)移法予以解決。

2.1 旋轉(zhuǎn)圈數(shù)加減法

旋轉(zhuǎn)圈數(shù)加減法就是先做一個(gè)奇數(shù)圈數(shù)的螺旋曲面，然后再加上或減去一圈，最終得到所要的螺旋曲面。 相對(duì)來講，用減去一圈的方法更為便捷一些。例如要繪制截面圓直徑為4、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為4 圈的螺旋掃描曲線，可通過以下幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。

（1）先在俯視圖上繪制一個(gè)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為5 圈的螺旋線（螺旋線各參數(shù)如圖4 所示），然后在前視圖上繪制一個(gè)直徑為4 的圓作為截面圓（如圖5 所示）。

（2）平移復(fù)制截面圓，方向?yàn)椤癦 向”、平移數(shù)值為“（旋轉(zhuǎn)圈數(shù)-1）×導(dǎo)程”。 按F4 鍵，修改圓弧屬性，將其直徑改為6，此步是為了保證復(fù)制平移后的圖形大于原始截面圖形，以利于后期曲面修整（如果是多圖素截面曲線，可以采用比例縮放的方法）。 結(jié)果如圖6 所示。

圖5 螺旋線和截面圓Fig.5 Spiral line and cross-section circular

圖6 增加輔助截面圓Fig.6 Cross-section circular with auxiliary

（3）進(jìn)行曲面掃描，創(chuàng)建螺旋曲面，并以直徑為6 的圓弧為邊界，進(jìn)行平面修剪操作，形成一個(gè)輔助截面（如圖7 所示）。

（4）選取曲面/曲面修整，截去上端多余的一圈螺旋曲面（如圖8 所示）。

（5）刪除直徑為6 的輔助截面，再刪除（或隱藏）螺旋線，得到符合需要的螺旋曲面（如圖9 所示）。

圖7 掃描曲面圖Fig.7 Scanning curves

圖8 截取一圈后的曲面圖形Fig.8 Surface after intercepting a circle

圖9 刪除輔助截面、螺旋線后的圖形Fig.9 Figures after removing auxiliary section and spiral lines

2.2 實(shí)體轉(zhuǎn)換法

實(shí)體轉(zhuǎn)換法是先利用實(shí)體造型的方法生成螺旋掃描實(shí)體，再由實(shí)體生成曲面。 因?yàn)樵贛astercam X 版本中對(duì)螺旋線進(jìn)行實(shí)體掃描時(shí)，無論其旋轉(zhuǎn)圈數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù),均不影響該實(shí)體的創(chuàng)建。具體步驟為：繪制好螺旋線和截面曲線后，在主菜單選取“實(shí)體”→“掃描”→選擇截面曲線→選擇引導(dǎo)線，然后點(diǎn)擊“確定”，再選取“構(gòu)圖”→“繪制曲面”→“由實(shí)體生成”。 這種方法雖然簡單，但如果繪圖區(qū)還有其他實(shí)體部分，在進(jìn)行曲面轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)形成干擾。

3 結(jié)語

綜上所述，能否用MastercamX 正確創(chuàng)建螺旋掃描曲面，關(guān)鍵在于螺旋線的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。 如果是奇數(shù)，按照常規(guī)方法建模即可；反之，則需采用旋轉(zhuǎn)圈數(shù)加減法或?qū)嶓w轉(zhuǎn)換法。 當(dāng)然，由于無法解析Mastercam軟件編譯的源碼，所以不能保證上述兩種方法是最簡捷有效，也許還有更合理的解決方法有待探求。

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