自由曲面零件法向孔数控加工前置处理软件开发

2014-03-02蔡汉锡史艳国

河北科技师范学院学报 2014年1期

蔡汉锡，董刚，史艳国，白杨

(1燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛，066004，2沈阳市房地产信息中心，3中国机床总公司)

目前，CAD/CAM技术在我国尤其是中小企业应用并不广泛，产生的经济效益并不明显，通用的CAD/CAM软件(UG，Pro/E)都有CAM模块，但是这些模块并不一定适用所有的应用要求，因此针对特定的应用往往需要开发特定的提取法向孔加工信息前置处理CAM软件。国内CAD/CAM产业所需的套装软件常常动辄数百万元甚至上千万元，高昂的费用对于中小企业是非常沉重的负担，而且套装软件中的功能有些根本用不到，但是软件使用者却必须花钱购买这些用不到的功能。如果能够针对中小企业的需求构建一个提取法向孔加工信息前置处理CAM软件，并且在生产需求改变的时候才增加新的功能，将可以有效降低软件成本［1］。为此，笔者开发拥有所开发系统的全部的知识产权，有利于针对中小型企业所生产产品的特点做进一步的开发，以期降低软件成本和拓宽应用范围。

1 软件总体设计框架

针对中小企业对CAM软件的功能应用简单、具体等特定需求，笔者设计开发了合适的提取法向孔加工信息的前置处理CAM软件(以下简称“本软件”)。主要从应用程序的相关接口、IGES文件和OCC模型的映射、IGES读取过程、IGES数据模型的三维重建等方面进行了阐述，接着介绍了从IGES曲面零件中提取法向孔加工信息的方法并最终通过软件测试验证了方案设计的合理性。图1为本软件的开发流程。

1.1 IGES 文件格式

三维造型文件标准为IGES标准，IGES标准定义了产品数据的数字表达和交换的信息结构，该规范用CAD/CAM领域中的数据交换［2～5］。它是为了表示几何、拓扑和非几何产品定义数据而定义的一种格式规范。该规范还支持用电子通讯协议(在其他标准中定义的)或者是物理介质所进行的数据的交换［6］。IGES标准描述了用于“产品”物理对象的基本工程特性的信息交换框架。这些特性描述了产品的形状、尺寸、特征等信息，整个IGES文件共分为5个区:起始区S，全局区G，目录入口区D，参数区P，结束区T。S为注释数据，G为描述全局特性，D为实体数据的索引，P为描述每一个实体的参数数据，T包含上面各段的数目信息。

1.2 IGES文件读取和三维重建

CAD/CAM软件一般是基于几何内核开发。例如，AutoCAD的系统内核为ACIS;Pro/E，UG，Solid-Works和SolidEdge的内核是parasolid。所谓的几何内核实际上是一个类库，里面定义了图形数据的存储格式以及大量的图形算法，Open CASCADE是一个开源码的几何内核，正是因为Open CASCADE源代码是完全免费开放的，所以本软件开发选择几何内核为Open CASCADE，该内核可以查阅http://www.opencascade.org。本软件读取IGES自由曲面的结果如图2所示。

2 法向孔加工信息相关实体介绍

介绍法向孔加工信息之前首先介绍IGES几个重要的实体类型。

点实体:类型号为116，点(Point)由它在定义空间中的坐标来定义，表1是其参数区的数据［7］。

圆弧实体:类型号为110，圆弧(Circular Arc)是不同的始点和终点的圆的连接部分。通常选择定义空间坐标系，使该圆弧所在平面与XT，YT平面平行或重合。表2是其参数区的数据。

变换矩阵实体:类型号为124，变换矩阵实体(Transformation Matrix Entity)是通过一个矩阵乘法，然后是一个矢量的加法来变换三行的列矢量，表3是其参数区的数据。

图1 自由曲面零件法向孔数控加工前置处理CAM软件的开发流程

图2 IGES自由曲面文件

表1 IGES文件中点实体参数数据

表2 IGES文件中圆弧实体参数数据

表3 IGES文件中变换矩阵实体参数数据

3 法向孔加工信息计算

使用C语言将IGES文件打开后提取出点实体116，圆弧实体110，变换矩阵实体124，提取出相关数据。由116实体数据可以得到法向孔中心的坐标，有110实体数据可以得到法向孔直径的大小，由110实体数据和124实体数据可以得到法向孔的方向向量。从IGES曲面零件中提取法向孔加工信息的求解方法如下:

根据上述公式可以求出法向孔的加工信息，然后再结合五轴加工和机床的相关规则可自动生成数控加工的刀具轨迹，刀轨文件中包含切削点刀心数据的GOTO语句，还有控制机床的其他指令信息［8］。这些刀轨文件不能直接驱动机床，首先需要将刀轨文件进行后处理，使之符合某一个机床/控制系统的要求，进而驱动数控机床自动进行曲面零件法向孔的加工。