基于萨克斯哨片的不规则曲面加工研究

不规则曲面件是工程技术界广泛应用的一大类零件，顾名思义，其最典型的特点是形状不规则，故设计制造均比较麻烦。萨克斯哨片是单簧管萨克斯的发声件，属于不规则曲面件，其材料是木质（芦竹）。传统的加工方法是用普通机械加工或手工加工，加工精度及速度均受到一定的限制。多年来，我国主要从国外进口萨克斯哨片以满足使用者的要求，也有一些萨克斯使用者自己手工制作哨片。随着我国人民生活水平的提高，萨克斯哨片的需求量也越来越大，数控加工技术越来越成熟．故对萨克斯哨片的自动设计和加工原理及方法进行研究，具有相当的必要性和切实的可行性。本文介绍使用CATIA软件，以萨克斯哨片为例，建立哨片三维实体模型，并进行加工过程的仿真，经过后置处理生成数控代码的原理及方法。

1 不规则曲面加工方法研究

　　1.1 靠模仿形加工

　　靠模仿形加工是以预先制成的靠模为依据，加工时触头对靠模表面施加一定的压力，并沿靠模表面移动，通过仿形结构使刀具作同步仿形动作，从而在模具零件上加工出与靠模型面相同的反向型面。只要在普通的机床上装上仿形机构．根据已经制作好的模型就可以进行仿形加工。这种方法适合加工复杂的零件表面，然而这种加工方法必须要有模型才能加工，只能一比一的复制，不能为同类产品的设计提供数字信息。

　　1.2 逆向工程加工

　　逆向工程(Reverse Engineering，RE)技术是针对现有物体，特别是具有不规则曲面的物体，利用三维数字化测量仪器测量出轮廓坐标值，构建曲面，经过对曲面的过渡、缝合等操作建立模型，然后将模型转至一般的CAD/CAM系统进行仿真，再由加工中心进行加工制造，或采用快速成型技术制造样品模型或零件。采用这种方法，设计人员除了可以复制同类产品之外，也可获得产品特征信息，并根据需求进行一定的改进和设计。故而在文物复原、创新设计中应用较多。类似萨克斯哨片这样的产品，同一种大小的哨片有不同的规格，适合不同基调，就适合用这种方法进行设计加工。

　　1.3 数控仿形加工

　　数控仿形加工是介于逆向工程和靠模仿形加工之间。对于实物模型数字化测量得到的空间散乱数据拓扑结构不统一、CAD模型重建难以实现、后续的曲面裁剪、曲面变换等计算困难的情况，势必影响最后的数控加工和加工精度。因此，直接将散乱扫描数据点生成数控加工代码进行加工，这种基于测点数据的直接数控仿形加工方法，具有操作简单、计算稳定、加工效率高等优点。但同时也存在仿形加工的缺点，虽然数控仿形可获得模型的特征信息，但仍然只能一比一完全复制，而无法应用CAD/CAM技术进行设计和改善。

2 不规则曲面件模型创建

　　在逆向工程中，所创建的模型形状好坏直接关系到产品加工仿真的精确性，因而模型创建是非常重要的环节。随着逆向工程技术的发展，各种软件处理曲面的能力越来越强大，其中CATIA、NX等曲面造型软件比较常用，本文用CATIA软件进行模型创建。

　　2.1 不规则曲面模型的创建方式

　　2.1.1 点云一面

　　这种方法是由点云直接拟合得到曲面片，曲面片再经过过渡、修剪、缝合等方式形成完整曲面。以三角化点云、B样条曲面、NURBS曲面的插值和逼近等数学方法得以实现。这种直接拟合的方式计算量大，对点云数据要求高，点云数据的好坏直接影响了曲面的质量。在不规则曲面重建中应用较多，特别是文物复原无法用一般建模方式得到曲面时使用，建模过程中不包含特征信息。

　　2.1.2 点-曲线-面

　　它是依据逆向工程的数字化测量方法得出的数据，得到模型的特征信息，再根据设计者对模型的要求，建立草图，绘制控制点，由点进行插值或拟合得到样条或者参数化曲线作为截面线、轮廓线等特征线，再由这些特征曲线经过放样、拉伸、旋转、扫掠等多种曲面构建方式得到曲面，最后再将这些曲面进行修剪，过渡和拉伸得到完整的模型。这种方式类似正向建模，要求设计人员对模型的特征比较了解，可必通过控制点来修改曲面。虽然这样建立的模型不会与原模型完全相同，但是类似萨克斯哨片这样同种大小有不同规格的产品。需要得到特征信息，以便设计人员进行修改。

　　2.2 萨克斯哨片模型创建

　　萨克斯哨片的剖面线图如图1所示。

图1 萨克斯哨片剖面

　　A-A侧面图的曲线变化较为平缓，B-B断面图的曲线曲率增大，C-C断面图的曲率更大。在模型重建时，本文采用“点-曲线-面”的方式来进行拟合。运用CATIA中的常规曲向设计命令，根据所测得的数据进行特征剖面线的创建，将所有的剖面线依次绘制，得出整体的曲线结果，经过CATIA拟合之后，对各条曲线进行调整和修改，使整个轮廓面光滑通顺，并符合对萨克斯哨片的要求，萨克新哨片的曲面如图2所示。

图2 哨片模型

3 不规则曲面仿真加工

　　自由曲面没有规律可循，一般的加工方法是无法实现的，随着数控技术的发展，人们逐渐采用数控加工的办法，但是手工编程需要不断修正，繁琐费时，于是设计员通常先在软件内设置加上参数进行数控仿真，并对仿真的结果进行分析和改进，由软件自动生成数控代码，输入数控机床进行加工。这样一来，整个生产过程就大大缩短。如计算机模拟中出现了问题．也可以很快解决。目前，Pro/E、CATIA各NX等三维软件都可以进行数控的仿真加工。下面以萨克斯哨片为例，用CATIA软件来进行仿真。

　　3.1 加工要素设定

　　仿真加工时，其留下需婴加工的部分。首先创建加工毛坯，大小应与模型加工部分大小相同，设置各项加工要素，包括数控机床、参考坐标系、关联的加工部件和几何体等内容。在图中依次选取加工对象和加工机床之后，将坐标原点设定为端面底面的中点，将坐标系改为数控机床的加工坐标系，各坐标轴的方向与数控机床各坐标轴方向一致。

图3 加工要素设定

　　3.2 CATIA加工仿真

　　在CATIA命令中，曲面粗加工方式分为投影粗加工和等高线粗加工，半精加工和精加工方式相同，有投影加工、清根加工、等高线加工、轮廓驱动加工、沿面加工、螺旋加工、以及型腔铣削加工、钻孔加工等。

　　由于哨片曲面的特殊性，在加工哨片时选用投影加工的方式，由于加工对象是芦竹，刀路选择一次成型。点选图标，可以设置刀具的进退刀路路径。设定好各项参数之后，进行刀路仿真，CATIA就能够自动生成仿真刀路。

　　3.3 数控程序生成

　　刀路仿真结束之后，通过后置处理将数控刀具路径转换为数控机床可以识别的数控程序(NCProgram)。CATIA提供了Batch mode(批处理模式)和Interactively mode(交互处理模式)两种输出方法。数控程序的类型主要有：刀具位置文件、刀位源文件、NC codP(数控程序)、In ProcessModel(图形处理文件)。在特征树中选择Manufacturings Program.i结点，在弹出的菜单中选择Generate NC Code Interactivealy(交互式生成数控程序)命令。

Generate NC Output Interactively对话框，在NC data type(数控数据格式)下拉列表框中选择NC code(数控程序)，并选择与数控机床系统相对应的数控代码。

　　由CATIA所生成的部分数控程序，将该程序导入数控铣床就可对萨克斯哨片进行加工。

4 结束语

　　生活中有很多物体部属于自由曲面件，而制造业必须不断地发展以适应人们生活所需。本文所论述的方法正是为自由曲面件的加工提供了一种新的思路，应用本文论述的原理及方法。在建立好模型之后，进行仿真加工，软件将自动生成数控加工代码，为加工的精确性和安全性提供依据。同时对于拥有不规则曲面的产品，用本文的方法，可以更好地重建产品外形并进行改进，使产品的设计、修改、制造时间大大减少，大夫缩短产品加工的时间，提高产品品质，节约人力资源和资金，减少原材料损耗，提高企业的竞争力，并给社会带来更大的效益，该方法必将取代传统的设计方法而成为时代潮流。