不規(guī)則曲面件是工程技術(shù)界廣泛應(yīng)用的一大類零件，顧名思義，其最典型的特點(diǎn)是形狀不規(guī)則，故設(shè)計(jì)制造均比較麻煩。薩克斯哨片是單簧管薩克斯的發(fā)聲件，屬于不規(guī)則曲面件，其材料是木質(zhì)（蘆竹）。傳統(tǒng)的加工方法是用普通機(jī)械加工或手工加工，加工精度及速度均受到一定的限制。多年來，我國主要從國外進(jìn)口薩克斯哨片以滿足使用者的要求，也有一些薩克斯使用者自己手工制作哨片。隨著我國人民生活水平的提高，薩克斯哨片的需求量也越來越大，數(shù)控加工技術(shù)越來越成熟．故對薩克斯哨片的自動(dòng)設(shè)計(jì)和加工原理及方法進(jìn)行研究，具有相當(dāng)?shù)谋匾院颓袑?shí)的可行性。本文介紹使用CATIA軟件，以薩克斯哨片為例，建立哨片三維實(shí)體模型，并進(jìn)行加工過程的仿真，經(jīng)過后置處理生成數(shù)控代碼的原理及方法。

1 不規(guī)則曲面加工方法研究

　　1.1 靠模仿形加工

　　靠模仿形加工是以預(yù)先制成的靠模為依據(jù)，加工時(shí)觸頭對靠模表面施加一定的壓力，并沿靠模表面移動(dòng)，通過仿形結(jié)構(gòu)使刀具作同步仿形動(dòng)作，從而在模具零件上加工出與靠模型面相同的反向型面。只要在普通的機(jī)床上裝上仿形機(jī)構(gòu)．根據(jù)已經(jīng)制作好的模型就可以進(jìn)行仿形加工。這種方法適合加工復(fù)雜的零件表面，然而這種加工方法必須要有模型才能加工，只能一比一的復(fù)制，不能為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供數(shù)字信息。

　　1.2 逆向工程加工

　　逆向工程(Reverse Engineering，RE)技術(shù)是針對現(xiàn)有物體，特別是具有不規(guī)則曲面的物體，利用三維數(shù)字化測量儀器測量出輪廓坐標(biāo)值，構(gòu)建曲面，經(jīng)過對曲面的過渡、縫合等操作建立模型，然后將模型轉(zhuǎn)至一般的CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行仿真，再由加工中心進(jìn)行加工制造，或采用快速成型技術(shù)制造樣品模型或零件。采用這種方法，設(shè)計(jì)人員除了可以復(fù)制同類產(chǎn)品之外，也可獲得產(chǎn)品特征信息，并根據(jù)需求進(jìn)行一定的改進(jìn)和設(shè)計(jì)。故而在文物復(fù)原、創(chuàng)新設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多。類似薩克斯哨片這樣的產(chǎn)品，同一種大小的哨片有不同的規(guī)格，適合不同基調(diào)，就適合用這種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)加工。

　　1.3 數(shù)控仿形加工

　　數(shù)控仿形加工是介于逆向工程和靠模仿形加工之間。對于實(shí)物模型數(shù)字化測量得到的空間散亂數(shù)據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不統(tǒng)一、CAD模型重建難以實(shí)現(xiàn)、后續(xù)的曲面裁剪、曲面變換等計(jì)算困難的情況，勢必影響最后的數(shù)控加工和加工精度。因此，直接將散亂掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)生成數(shù)控加工代碼進(jìn)行加工，這種基于測點(diǎn)數(shù)據(jù)的直接數(shù)控仿形加工方法，具有操作簡單、計(jì)算穩(wěn)定、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也存在仿形加工的缺點(diǎn)，雖然數(shù)控仿形可獲得模型的特征信息，但仍然只能一比一完全復(fù)制，而無法應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改善。

2 不規(guī)則曲面件模型創(chuàng)建

　　在逆向工程中，所創(chuàng)建的模型形狀好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品加工仿真的精確性，因而模型創(chuàng)建是非常重要的環(huán)節(jié)。隨著逆向工程技術(shù)的發(fā)展，各種軟件處理曲面的能力越來越強(qiáng)大，其中CATIA、NX等曲面造型軟件比較常用，本文用CATIA軟件進(jìn)行模型創(chuàng)建。

　　2.1 不規(guī)則曲面模型的創(chuàng)建方式

　　2.1.1 點(diǎn)云一面

　　這種方法是由點(diǎn)云直接擬合得到曲面片，曲面片再經(jīng)過過渡、修剪、縫合等方式形成完整曲面。以三角化點(diǎn)云、B樣條曲面、NURBS曲面的插值和逼近等數(shù)學(xué)方法得以實(shí)現(xiàn)。這種直接擬合的方式計(jì)算量大，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)要求高，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的好壞直接影響了曲面的質(zhì)量。在不規(guī)則曲面重建中應(yīng)用較多，特別是文物復(fù)原無法用一般建模方式得到曲面時(shí)使用，建模過程中不包含特征信息。

　　2.1.2 點(diǎn)-曲線-面

　　它是依據(jù)逆向工程的數(shù)字化測量方法得出的數(shù)據(jù)，得到模型的特征信息，再根據(jù)設(shè)計(jì)者對模型的要求，建立草圖，繪制控制點(diǎn)，由點(diǎn)進(jìn)行插值或擬合得到樣條或者參數(shù)化曲線作為截面線、輪廓線等特征線，再由這些特征曲線經(jīng)過放樣、拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠等多種曲面構(gòu)建方式得到曲面，最后再將這些曲面進(jìn)行修剪，過渡和拉伸得到完整的模型。這種方式類似正向建模，要求設(shè)計(jì)人員對模型的特征比較了解，可必通過控制點(diǎn)來修改曲面。雖然這樣建立的模型不會(huì)與原模型完全相同，但是類似薩克斯哨片這樣同種大小有不同規(guī)格的產(chǎn)品。需要得到特征信息，以便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行修改。

　　2.2 薩克斯哨片模型創(chuàng)建

　　薩克斯哨片的剖面線圖如圖1所示。

圖1 薩克斯哨片剖面

　　A-A側(cè)面圖的曲線變化較為平緩，B-B斷面圖的曲線曲率增大，C-C斷面圖的曲率更大。在模型重建時(shí)，本文采用“點(diǎn)-曲線-面”的方式來進(jìn)行擬合。運(yùn)用CATIA中的常規(guī)曲向設(shè)計(jì)命令，根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征剖面線的創(chuàng)建，將所有的剖面線依次繪制，得出整體的曲線結(jié)果，經(jīng)過CATIA擬合之后，對各條曲線進(jìn)行調(diào)整和修改，使整個(gè)輪廓面光滑通順，并符合對薩克斯哨片的要求，薩克新哨片的曲面如圖2所示。

圖2 哨片模型

3 不規(guī)則曲面仿真加工

　　自由曲面沒有規(guī)律可循，一般的加工方法是無法實(shí)現(xiàn)的，隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸采用數(shù)控加工的辦法，但是手工編程需要不斷修正，繁瑣費(fèi)時(shí)，于是設(shè)計(jì)員通常先在軟件內(nèi)設(shè)置加上參數(shù)進(jìn)行數(shù)控仿真，并對仿真的結(jié)果進(jìn)行分析和改進(jìn)，由軟件自動(dòng)生成數(shù)控代碼，輸入數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。這樣一來，整個(gè)生產(chǎn)過程就大大縮短。如計(jì)算機(jī)模擬中出現(xiàn)了問題．也可以很快解決。目前，Pro/E、CATIA各NX等三維軟件都可以進(jìn)行數(shù)控的仿真加工。下面以薩克斯哨片為例，用CATIA軟件來進(jìn)行仿真。

　　3.1 加工要素設(shè)定

　　仿真加工時(shí)，其留下需嬰加工的部分。首先創(chuàng)建加工毛坯，大小應(yīng)與模型加工部分大小相同，設(shè)置各項(xiàng)加工要素，包括數(shù)控機(jī)床、參考坐標(biāo)系、關(guān)聯(lián)的加工部件和幾何體等內(nèi)容。在圖中依次選取加工對象和加工機(jī)床之后，將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)定為端面底面的中點(diǎn)，將坐標(biāo)系改為數(shù)控機(jī)床的加工坐標(biāo)系，各坐標(biāo)軸的方向與數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸方向一致。

圖3 加工要素設(shè)定

　　3.2 CATIA加工仿真

　　在CATIA命令中，曲面粗加工方式分為投影粗加工和等高線粗加工，半精加工和精加工方式相同，有投影加工、清根加工、等高線加工、輪廓驅(qū)動(dòng)加工、沿面加工、螺旋加工、以及型腔銑削加工、鉆孔加工等。

　　由于哨片曲面的特殊性，在加工哨片時(shí)選用投影加工的方式，由于加工對象是蘆竹，刀路選擇一次成型。點(diǎn)選圖標(biāo)，可以設(shè)置刀具的進(jìn)退刀路路徑。設(shè)定好各項(xiàng)參數(shù)之后，進(jìn)行刀路仿真，CATIA就能夠自動(dòng)生成仿真刀路。

　　3.3 數(shù)控程序生成

　　刀路仿真結(jié)束之后，通過后置處理將數(shù)控刀具路徑轉(zhuǎn)換為數(shù)控機(jī)床可以識別的數(shù)控程序(NCProgram)。CATIA提供了Batch mode(批處理模式)和Interactively mode(交互處理模式)兩種輸出方法。數(shù)控程序的類型主要有：刀具位置文件、刀位源文件、NC codP(數(shù)控程序)、In ProcessModel(圖形處理文件)。在特征樹中選擇Manufacturings Program.i結(jié)點(diǎn)，在彈出的菜單中選擇Generate NC Code Interactivealy(交互式生成數(shù)控程序)命令。

Generate NC Output Interactively對話框，在NC data type(數(shù)控?cái)?shù)據(jù)格式)下拉列表框中選擇NC code(數(shù)控程序)，并選擇與數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)相對應(yīng)的數(shù)控代碼。

　　由CATIA所生成的部分?jǐn)?shù)控程序，將該程序?qū)霐?shù)控銑床就可對薩克斯哨片進(jìn)行加工。

4 結(jié)束語

　　生活中有很多物體部屬于自由曲面件，而制造業(yè)必須不斷地發(fā)展以適應(yīng)人們生活所需。本文所論述的方法正是為自由曲面件的加工提供了一種新的思路，應(yīng)用本文論述的原理及方法。在建立好模型之后，進(jìn)行仿真加工，軟件將自動(dòng)生成數(shù)控加工代碼，為加工的精確性和安全性提供依據(jù)。同時(shí)對于擁有不規(guī)則曲面的產(chǎn)品，用本文的方法，可以更好地重建產(chǎn)品外形并進(jìn)行改進(jìn)，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、修改、制造時(shí)間大大減少，大夫縮短產(chǎn)品加工的時(shí)間，提高產(chǎn)品品質(zhì)，節(jié)約人力資源和資金，減少原材料損耗，提高企業(yè)的競爭力，并給社會(huì)帶來更大的效益，該方法必將取代傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法而成為時(shí)代潮流。