D型打结器齿盘的三维可视化研究

刘明珍，杨文敏，方志超，韩业翔

(湖南农业大学 机电工程学院，湖南 长沙 410128)

0 引 言

可视化技术是以三维表现技术再现三维世界中的物体，利用三维形体来表示复杂的信息。它通过一种仿真的、三维的并且具有实时交互能力的方式来传递信息。三维可视化工艺是在虚拟环境下，借助虚拟现实技术的可视性特征，对工艺信息和零件加工结果进行图形图像处理与显示，以达到工艺信息直观可感知的目的[1]。通过机加工工艺的可视化，实现工艺设计信息的可视化提取、交互和修改，为传统加工工艺提供信息；实现机械加工艺现场信息的可视化认知、提取和交换，改变传统以纸质文档传递信息的模式；车间现场能将工艺更改建议以可视化的形式进行反馈。

虚拟环境可以提供给设计者以及现场人员多方面的感观认识，其中视觉感受可以有颜色、大小、形状等，颜色通常给人以直接的视觉冲击。

目前张志航[2]、周亚丽[3]等人进行了装配工艺三维可视化研究，面向装配工艺的设计仿真，实现了利用三维装配动画表达装配工艺过程，但面向机加工艺设计仍然没有突破二维工艺卡片与简图的局限。

该文以D型打结器为例，通过对其重要零部件进行可视化加工工艺的研究与加工仿真动画的制作，介绍以SolidWorks CAM为平台实现加工工艺可视化的方法。

1 SolidWorks CAM模块介绍

SolidWorks CAM是一款基于直观的三维实体模型的CAM软件，其原型完整版是CAMWorks，是一款研制的高效、智能的数控加工编程软件，运行于Windows系统是专门为SolidWorks 配套开发的 CAM 模块[4]。其基于特征加工制造系统，可以自动识别多种加工特征，刀具轨迹的生成无须离开 SolidWorks 的软件环境，可直接调用 SolidWorks 生成的三维零件模型来生成刀具的加工轨迹，保证加工出的零件与创建的零件模型一致。

SolidWorks CAM基于数据库技术，独创的自动特征识别AFR (Automatic Feature Recognition)与交互特征识别IFR(Interactive Feature Recognition)技术，代表着当前CAM技术发展的主流。它能自动提取实体模型的加工工艺参数，通过内置功能完善的知识库TechDB(Technology Database)支持，自动形成加工工序结构树。可以直接从知识库中提取所需要的加工工艺信息，也可对数据库进行修改和管理。运用SolidWorks CAM进行可视化加工工艺仿真动画的制作流程如图1所示。

图1 可视化加工工艺制作流程

2 D型打结器结构及工作原理

D型打结器主要由机架、驱动齿盘及夹绳机构(夹绳片、夹绳盘、褪绳片 、蜗杆锥齿轮、蜗杆、蜗轮)、绕扣钳咬机构(打结嘴组件、打结钳嘴锥齿轮)、割绳脱绳扣机构等相关执行的零部件机构组成，如图2所示。

图2 D型打结器三维模型图

D型打结器工作时，秸秆通过喂入装置进入打捆机打捆箱，通过打捆机压缩机构将秸秆压缩成一层层片体，井且缓慢向出草捆方向移动，当移动固定的位移后，捆长控制机构检测到草捆长度合格后，在拉簧的作用下，打结离合器结合，驱动齿盘转动一圈，打结结束，进入下一工作循环。动力由打结器主轴传递到驱动齿盘，带动驱动齿盘转动、驱动齿盘通过齿盘外齿、齿盘内齿和凸轮轮廓将动力分别传送到打结钳嘴夹绳机构以及割绳杆，进行一系列紧凑的打捆动作，驱动齿盘转动一周，打结工作完成[5]。D型打结器工作原理如图3所示。

图3 D型打结器工作原理图

驱动齿盘是保证D型打结器各机构运动精确性的部件，起着至关重要的作用，其加工需要保证十分的精度。所以以驱动齿盘为例进行加工工艺可视化仿真动画制作。

3 可视化加工工艺实现

3.1 提取可加工特征

特征加工可直接利用 CAD 造型中设置的模型特征参数，不仅减少了加工对象和参数的重复输入，而且还可以模型特征为 纽带，将 CAD/CAM 系统连接起来，实现设计和制造数据的动态关联[6]。这种以实体模型的几何特征为加工对象、以特征参数为加工依据的编程方式，称为特征加工，有时也称为实体加工。特征加工并不是简单的以实体模型为加工对象，而是能识别出实体模型的加工特征及其参数，再以加工特征为依据，贯穿于整个加工过程，主要包括特征识别、加工方法选择、加工特征参数设置特征修改。

SolidWorks CAM通过自动特征识别或交互特征识别技术，识别出待加工特征的几何形状、尺寸参数及所采用的加工策略等信息，并按特征类型自动进行分组。如图4所示。

图4 SolidWorks CAM自动特征识别

采用SolidWorks CAM识别出的待加工特征。针对待加工特征，选择加工方法后，可采用系统默认的刀具路径样式参数或对其进行修改，而无需重复输入模型相关的几何参数，大大减少了编程过程中数据输入。而 SolidWorks CAM通过智能化数据库技术，将设计和制造数据相关联，有利于特征更改后刀具路径的自动生成。

根据该驱动齿盘零件的特点，经过操作后，对于生成的加工内容，是按照顺序进行排列的，根据生产实际情况，只要调整加工特征树中的顺序，就能够方便地调整实际加工顺序，而且后续的工作也不需要重新设置，软件系统会提醒自动更新。

3.2 生成操作计划

生成操作计划，是指根据加工内容所进行的加工刀具的选择和设置、加工方式的选取等内容[7]。操作计划是一个中间过程，特征识别解决的是选取什么的问题，操作计划解决的是怎么处理的问题，驱动齿盘的加工操作计划如图5所示。

图5 驱动齿盘加工的操作计划

从图5可以看出，相应的刀具对应着加工内容。根据特征，软件系统在工艺数据库的基础上，自动提供相应的加工方案，能够按照相关的约束进行处理。系统自动处理的操作计划同特征识别一样，也是可以进行人工编辑和修改的。由于实际生产状况的变化，可能缺少相关尺寸的刀具，或者受某种加工设备的限制，需要进行重新组织加工方法的，可以在操作计划单中进行人为的调整。调整后的计划，将自动储存在系统中，系统会提醒操作者进行更新。

3.3 生成刀具轨迹

单击“生成刀具轨迹”按钮后，系统根据识别的特征形状、尺寸大小及操作参数，自动生成加工特征的刀具路径，如图6所示。

3.4 刀具路径模拟

为了验证刀具路径是否正确，还必须对生成的刀具路径进行模拟，直到满足用需求为止，如图7 所示。

刀具参数和加工参数设置完成后，就可以生成加工刀具路径[8]。生成的刀具路径是否合理，还要校验刀具路径。在校验刀具路径时，观察路径是否简略，有无冗余的刀具路径，在保证精度的情况下，减少空走刀的时间，提高加工效率。在完成了刀具参数、加工参数设置、校验刀具路径后，可以对零件实体虚拟加工，图8就是从开始到虚拟加工结束，几个典型的虚拟加工效果图。

图6 定义刀具轨迹

图7 刀具路径仿真 图8 虚拟加工过程图

3.5 程序后置处理

已编辑好的刀具加工路径，通过后置处理，可按程序段一步步生成代码，也可一次完整地生成代码程序，如图9所示。

图9 后置处理代码输出图

后置代码一般生成比较长。对于经过验证的刀具轨迹，操作者如果认为已经合理，则可以通过后置处理的方式，将刀具轨迹文件“翻译”成数控机床能够识别的数控程序，这个过程称为后置处理。SolidWorks CAM对刀具加工轨迹进行后置处理，对于不同数控系统，可方便地定制不同的后置处理程序，主要包括机床类型、代码格式、程序段表达方式及加工方法等。其生成的代码能够快速运用到数控机床的零件加工中。

3.6 加工工艺可视化查看

SolidWorks CAMNC 编辑器对G代码进行查看及仿真，如图10所示，通过控制键查看每一阶段的零件加工工艺走刀操作等情况，关联SolidWorks CAM 进行可视化加工工艺实现过程各阶段，达到零件加工工艺可视化目的。

图10 SolidWorks CAM NC 编辑图

4 结 语

在 SolidWorks CAM模块下研究零件机加工工艺可视化，提出了完整的三维机加工艺应用体系结构与工作模式，建立了三维环境下设计制造全新的模式、技术、工具和环境。此研究成果很好的解决了工艺设计工作中采用的2D+3D混合产品定义方式存在的一系列问题，将极大的提高机加工艺设计环节的质量和效率，缩短产品生产、研发周期，降低企业成本。