1 引言

　　在對(duì)汽車車燈進(jìn)行實(shí)體造型的過程中，燈罩以及車燈的側(cè)面經(jīng)常遇到如圖1 所示的側(cè)燈紋。對(duì)于這種側(cè)燈紋的加工，目前采用的方法是每一條側(cè)燈紋利用數(shù)控銑刀一次加工成型，如圖2 所示。由此可見，側(cè)燈紋造型并不需要建立完整的3D 模型，只需生成加工側(cè)燈紋過程中代表銑刀中心運(yùn)動(dòng)軌跡的空間曲線，然后根據(jù)生成的空間曲線進(jìn)行數(shù)控編程。

　　因此側(cè)燈紋的加工分為2 個(gè)步驟：軌跡曲線的建模(即造型) 和數(shù)控加工程序的生成。由于每一條側(cè)燈紋的銑刀中心運(yùn)動(dòng)軌跡都單獨(dú)位于一個(gè)平面之內(nèi)，目前的造型方法其實(shí)就是平面與曲面求相交曲線。軌跡曲線生成之后，設(shè)計(jì)合理的進(jìn)刀和退刀路線，將曲線按一定要求離散成點(diǎn)集，選擇數(shù)控加工工藝參數(shù)，利用手工編程生成數(shù)控加工程序。

圖1 側(cè)燈紋

　　由此可見，側(cè)燈紋的加工完全是重復(fù)性的工作，加工效率比較低下，尤其是生成數(shù)控加工程序階段，若側(cè)燈紋數(shù)量和每條軌跡曲線的離散點(diǎn)都較多，則手工編程的工作量將十分驚人。

圖2 側(cè)燈紋切削示意圖

　　下面介紹基于UG二次開發(fā)環(huán)境，利用二次開發(fā)語言opengrip ，實(shí)現(xiàn)側(cè)燈紋的軌跡曲線建模和數(shù)控加工程序的自動(dòng)生成。

2 側(cè)燈紋生成的基本原理

　　圖3 為側(cè)燈紋加工原理示意圖，圖中的圓代表數(shù)控銑刀，圓心代表銑刀中心的運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖3可見，一般情況下，側(cè)燈紋剖面的形狀是個(gè)角度小于180°的圓弧，因此加工側(cè)燈紋的銑刀中心運(yùn)動(dòng)軌跡并不位于車燈曲面，而是位于車燈曲面的偏置面。每一條側(cè)燈紋的銑刀中心運(yùn)動(dòng)軌跡都單獨(dú)位于一個(gè)平面之內(nèi)，因此側(cè)燈紋軌跡曲線的建模歸根到底就是一連串平面與車燈曲面的偏置面求相交曲線。

圖3 側(cè)燈紋加工原理示意圖

　　側(cè)燈紋的分布一般符合一定的規(guī)律，因此銑刀中心運(yùn)動(dòng)軌跡所在的平面也按照某個(gè)準(zhǔn)則。絕大多數(shù)情況下，銑刀中心運(yùn)動(dòng)軌跡所在的所有平面都平行于脫模線，從而確保側(cè)燈紋不產(chǎn)生倒脫?，F(xiàn)象。

3 側(cè)燈紋自動(dòng)生成程序的開發(fā)過程

UG提供多種二次開發(fā)語言，open grip 就是其中之一。與其他的二次開發(fā)語言相比，open grip 具備簡單、方便、交互性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　由于側(cè)燈紋的制造分為2 個(gè)階段，因此本程序也分為兩大部分：軌跡曲線的建模和數(shù)控加工程序的生成。在軌跡曲線建模完畢之后將產(chǎn)生一個(gè)對(duì)話框，供用戶選擇是否生成數(shù)控加工程序，若選擇生成數(shù)控加工程序則繼續(xù)，否則結(jié)束程序。

　　3. 1 軌跡曲線的建模

　　一般情況下，單個(gè)曲面與平面交線只產(chǎn)生1 條空間曲線，但有時(shí)產(chǎn)生曲線的數(shù)量不止1 條，例如環(huán)形曲線與平面相交，很有可能產(chǎn)生2 條曲線。

　　絕大多數(shù)情況下，車燈曲面的偏置面不是單個(gè)面，可能有幾個(gè)甚至幾十個(gè)曲面組合而成，因此平面與這些曲面相交的情況可能非常復(fù)雜。這些曲面中，有些曲面和平面沒有交線，有些和平面有交線，但交線的數(shù)量不能確定。因此，這一步驟的難點(diǎn)在于在所有相交曲線中尋找真正代表銑刀中心運(yùn)動(dòng)軌跡的交線。圖4 為軌跡曲線建模階段的程序流程圖。

圖4 軌跡曲線建模流程圖

　　3. 2 數(shù)控加工程序的生成

　　圖5 為側(cè)燈紋切削循環(huán)示意圖。側(cè)燈紋的加工過程不只包括數(shù)控銑刀在曲面的切削過程，它還包括切削之前的進(jìn)刀過程，切削之后的退刀過程和返回過程。全部4 個(gè)過程位于同一個(gè)平面之內(nèi)。

圖5 側(cè)燈紋切削循環(huán)示意圖

　　因此，加工每條側(cè)燈紋，數(shù)控銑刀的走刀路線應(yīng)該是A →B →C →D →A。A 點(diǎn)代表每一循環(huán)的進(jìn)刀點(diǎn)即銑刀的出發(fā)點(diǎn)，B 點(diǎn)代表開始切削曲面的起始點(diǎn)，C 點(diǎn)代表結(jié)束切削曲面的終止點(diǎn)，D 點(diǎn)代表每一循環(huán)的退刀點(diǎn)。執(zhí)行完1 個(gè)循環(huán)，結(jié)束1 條側(cè)燈紋的加工，數(shù)控銑刀從這個(gè)循環(huán)的進(jìn)刀點(diǎn)A 轉(zhuǎn)移到另1個(gè)循環(huán)的進(jìn)刀點(diǎn)，開始另1 條側(cè)燈紋的加工。

　　切削循環(huán)的切削路線實(shí)際上就是軌跡曲線建模選擇車燈曲面偏置車燈曲面生成軌跡曲線程序開始選擇離散曲線，并過離散點(diǎn)作垂直于曲線的平面階段生成的相交曲線，切削起始點(diǎn)B 和切削終止點(diǎn)D 在軌跡曲線建模之后就確定下來。而進(jìn)刀過程、退刀過程和返回過程由于數(shù)控銑刀處于空運(yùn)行階段，所以這3 個(gè)過程銑刀的走刀路線都為直線，因此確定進(jìn)刀點(diǎn)A 和退刀點(diǎn)D 成為每個(gè)加工循環(huán)的關(guān)鍵，得到A 點(diǎn)和D 點(diǎn)之后，進(jìn)刀路線、退刀路線和返回路線就能確定。此外，加工過程中銑刀不能與車燈模具發(fā)生干涉，因此所有加工循環(huán)的進(jìn)刀點(diǎn)和退刀點(diǎn)都必須位于車燈曲面的同一側(cè)。

　　解決的方法是在每一個(gè)循環(huán)過程中設(shè)立1 個(gè)臨時(shí)坐標(biāo)系，所有臨時(shí)坐標(biāo)系的某個(gè)坐標(biāo)軸(如圖5所示的x 軸) 的正方向都位于曲面的一側(cè)。在每個(gè)臨時(shí)坐標(biāo)系下讀取B 點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后對(duì)坐標(biāo)軸正方向一致的坐標(biāo)值加上或減去進(jìn)刀距離(圖5 中應(yīng)該選擇x 坐標(biāo)值減去進(jìn)刀距離) ，其他2 個(gè)坐標(biāo)值不變，通過此3 個(gè)坐標(biāo)值就能確定進(jìn)刀點(diǎn)A。同理，由C 點(diǎn)得到D 點(diǎn)。最后取消臨時(shí)坐標(biāo)系，返回工作坐標(biāo)系，由工作坐標(biāo)系確定生成數(shù)控加工程序時(shí)的A、B 、C、D 4 點(diǎn)以及相交曲線離散的點(diǎn)集的坐標(biāo)值，最后由這些坐標(biāo)值生成數(shù)控加工程序。生成的數(shù)控加工程序只需按加工工藝修改某些參數(shù)，如刀具轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀速度、冷卻液開關(guān)的控制等就能送入數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。圖6 為數(shù)控加工程序生成階段的程序流程圖。

圖6 數(shù)控加工程序生成流程圖

　　程序自動(dòng)運(yùn)行生成數(shù)控代碼之后，將在屏幕上顯示代表每個(gè)加工循環(huán)數(shù)控銑刀走刀路線的曲線和直線，用戶可通過這些曲線和直線來檢驗(yàn)生成的數(shù)控代碼是否正確，數(shù)控銑刀與車燈模具是否會(huì)發(fā)生干涉。

4 應(yīng)用實(shí)例

　　以下是一個(gè)汽車車燈側(cè)燈紋的軌跡曲線建模的應(yīng)用實(shí)例。車燈曲面共有32 個(gè)，曲面的偏置距離為1mm，側(cè)燈紋數(shù)量50 條。

　　由試驗(yàn)可得，手工對(duì)平面與車燈曲面的偏置面求軌跡曲線，則每生成一條軌跡曲線大約需30 s ，因此生成50 條軌跡曲線大約需要25 min ; 若采用此程序?qū)崿F(xiàn)所有軌跡曲線的建模則大約只需要30 s。圖7為此側(cè)燈紋數(shù)控加工刀路示意圖。圖7 中不僅顯示每條側(cè)燈紋加工時(shí)數(shù)控銑刀切削時(shí)的軌跡曲線，還包括每個(gè)加工循環(huán)過程中銑刀的進(jìn)刀、退刀和返回路線。

圖7 側(cè)燈紋數(shù)控加工刀路示意圖

　　在數(shù)控加工程序生成階段，若每條軌跡曲線離散成10 點(diǎn)，再加上每個(gè)加工循環(huán)的進(jìn)刀點(diǎn)和退刀點(diǎn)，因此每個(gè)切削循環(huán)共有12 個(gè)點(diǎn)，加工50 條側(cè)燈紋共需生成600 個(gè)點(diǎn)。采用手工進(jìn)行逐點(diǎn)編程，則需要1 h 左右，且容易出錯(cuò)，若采用此程序自動(dòng)生成，大概只需要5 s。

　　由此可見，該程序?qū)τ趥?cè)燈紋加工效率的提高非常顯著。

5 結(jié)束語

　　基于汽車車燈側(cè)燈紋加工的基本思路，利用UG/ opengrip 二次開發(fā)語言，實(shí)現(xiàn)了側(cè)燈紋的軌跡曲線建模和數(shù)控加工程序生成的自動(dòng)化。實(shí)驗(yàn)證明，該程序能極大地提高側(cè)燈紋的加工效率。

　　但該程序在多個(gè)方面還存在一定的局限性，主要有以下2 點(diǎn):

　　(1) 對(duì)汽車車燈曲面造型技術(shù)的要求相對(duì)較高，曲面之間不允許出現(xiàn)較大的空隙。

　　(2) 在某些特殊情況下，有些加工循環(huán)臨時(shí)坐標(biāo)系的控制容易出錯(cuò)，導(dǎo)致銑刀進(jìn)刀和退刀路線與車燈曲面的相對(duì)位置不一致，從而影響數(shù)控加工程序的生成。