基于CATIAV5的型腔零件三维建模与NC加工

作者：王亚萍 葛江华 隋秀凛

欢迎访问e展厅 展厅 1 CAD/CAM软件展厅 CAD软件, CAD/CAM, CAM, 钣金CAD/CAM, CAI, ... CATIA工作站版本是航空航天工业上市场占有率最高的CAD/CAM软件。随着新版本的CATIA个人计算机版本的推出，许多世界级的集团都已开始采用新的CATIAV5。除传统汽车、航空航天、造船工业外，如SONY、SANYO 等3C电子产业也广泛地采用了CATIAV5。除了本身所提供的强大设计功能外，CATIA还可以与产品生命周期管理相关软件进行集成。 1 型腔零件的三维建模 1.1 基于CATIAV5 的建模方法 CATIAV5 建模模块是一个建模系统。它可以帮助工程师快速地进行概念设计和详细设计。通过定义设计中不同部件之间的数学关系使用户的要求与设计约束结合起来。在建模这一模块里，包含有实体建模、特征建模、自由形式建模和用户自定义特征等应用模块，各个模块之间有各自的功能。其基本的建模方法包括体素法、扫描法、曲面建模、实体操作和形状特征造型等。 1.2 型腔零件的造型 一型腔零件的几何形状如图1 所示，整个零件体主要由底型腔零件板、腔体两大部分组成。在CATIAV5的Part Design 模块下对其进行三维建模。在这一过程中，综合运用了CATIAV5建模方法中的体素法、扫描法、曲面建模、实体操作和形状特征造型等方法，完成这一型腔零件的三维建模。先用强大的造型功能将零件的底版和上半部的实体建立完后再对其曲面部分进行建模。由于型腔的边缘是由多个曲面组成，所以先应用CATIA强大的曲面功能建立如图2 所示的曲面，然后进入实体建模进行简单的拉伸就能得到如图3 所示的实体。CATIA可以方便地在各个模块之间转换对零件进行操作。 2 型腔零件的NC加工 2.1 NC刀具轨迹生成方法 数控编程的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后置处理生成数控加工程序。CATIA数控加工模块用来定义和管理数控加工程序，使应用三维线框或实体造型设计完成的零件，能用2.5～5 轴的数控加工技术加工出来。它提供了便于应用和便于学习的图形界面，非常适合面向生产现场的情况下使用。此外，CATIA的领先技术，加之V5 版本的技术方法与DELMIA（达索公司的一种制造过程规划和模拟的软件工具）的数字加工环境的紧密集成，可很好地满足办公室编程的需要。因此，CATIA数控加工是协调办公室和生产现场制造活动的很好地解决方法。 2.2 NC编程的基本概念 NC编程是从零件图到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀的刀位点（CL 点）。刀位点一般取为刀具轴线与刀具表面的交点。多轴加工中还要给出刀轴矢量。 图形交互自动编程利用CAD软件的图形编辑功能将零件的几何形状绘制到计算机上,生成图形文件,然后调用数控编程模块, 采用人机交互的方法在计算机屏幕上指定被加工的部位,输入相应的加工参数,计算机便可进行必要的数学处理并自动生成加工程序。 （1）基于特征的NC刀轨生成方法 参数化特征造型的发展促进了基于特征的刀具轨迹生成方法研究。其基本原理是：零件的每个加工过程都可以看成对组成该零件的形状特征组进行加工的总和。那么整个形状特征或形状特征组分别加工后即完成了零件的加工。而每一形状特征或形状特征组的NC代码可自动生成。特征加工有利于实现CAD、CAPP、NCP 及CNC系统的全面集成，实现信息的双向流动，为CMS 乃至并行工程（CE）奠定了良好的基础。 （2）数控加工的几种走刀模式 平面凸多边形的走刀模式：平面凸多边形轮廓的加工主要采用如图4（a）所示的己形法和图4（b）环形法。己形法走刀模式在确定走刀起始点和刀具运动方向后，刀具沿着指定方向在整个加工平面以平行轨迹线方式加工，相邻轨迹间距离由刀具直径确定。环形走刀模式是刀具沿加工件的周边螺旋式地逐步向加工件中心运动，相邻轨迹间距离由刀具直径确定。 平面铣加工的切削方式：对于型腔加工主要采用行切法和环切法。行切法走刀模式是刀具沿着平行于选定方向的线段加工，当加工到型腔边界后，刀具可采用抬刀快速返回的断续切削方式，也可以采用往复式连续切削的方式，对于型腔中的岛屿，须作抬刀处理；环切法走刀模式可分为Inward helical 和Outward helical，分别如图5 和图6 所示。 2.3 型腔零件的NC加工 CATIAV5 能够实现零件的CAD三维造型与CAM仿真加工在同一软件平台进行有效地解决了几何造型、零件几何过程的仿真显示等问题。在Modeling 模块下构建的型腔零件的三维模型的CAD文件直接转入其Manufacturing 模块下进行CAM加工即可。 （1）型腔零件的数控加工刀具轨迹的生成 刀具轨迹包括粗加工、精加工、残料加工的轨迹。本文采用D=20mm、R=4mm平底铣刀进行粗加工（如图7）；采用D=12mm、R=0.4mm进行曲面加工；采用D1=10mm、R1=0mm、D2=5mm、R2=0mm 进行型腔加工（如图8）；然后采用D=2mm、R=0mm 球头铣刀进行清根处理，生成刀具轨迹。 （2）检验刀具路径 CATIA特有的模拟仿真功能，可以进行三维真实感动态仿真加工，如图9，在仿真过程中，刀具沿着所定义的加工轨迹进行动态加工，我们可以直观地掌握数控加工的过程，判断刀具轨迹的连续性、合理性，是否存在刀具干涉、空走刀、撞刀等情况，以及刀位计算是否正确等。所以生成加工走刀路径后，用CATIA软件的刀具路线校验功能，可以很方便地检查刀具路径的正确与否。 （3）数控加工后置处理程序的生成 CATIA的程序输出模式：交互式模式产生NC代码；批处理模式产生APT 源文件；批处理模式产生NC代码；产生HTML 格式的NC文件。 利用CATIA的后置处理器生成后置处理程序（NC代码），限于篇幅，本文摘录部分NC代码如下: 3 结语 本文通过对一个型腔零件的3D 建模和NC加工，介绍了利用CATIA软件CAD/CAM功能无缝结合的特点。一方面可以方便地实现复杂形状零件的多坐标数控编程，生成高效、高精度的NC程序；另一方面，可以通过切削检查来校验刀具轨迹的质量，及时地发现刀具与零件之间的过切和欠切。此外，通过虚拟加工过程仿真能够提前发现机床各运动部件及刀具之间的干涉和碰撞，迅速确定干涉碰撞发生的位置和相应的NC程序段，便于对NC程序进行修改，从而大大提高实际加工效率，进而缩短生产周期。

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/19/2011)