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      人體骨骼模型五軸數(shù)控加工工藝

      2021-11-25 07:59:42張江華姜毅胡青蔣云清胡珊
      金屬加工(冷加工) 2021年11期
      關(guān)鍵詞:粗加工精加工骨骼

      張江華,姜毅,胡青,蔣云清,胡珊

      南昌工學(xué)院 江西南昌 330108

      1 序言

      人體骨骼模型加工的質(zhì)量將直接影響到醫(yī)學(xué)治療的效果。目前,國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)較為成熟,但是由于受材料、加工成本的影響,尚未進(jìn)行全面普及,因此人體骨骼模型的三維建模和制造加工是急需解決的問(wèn)題。本研究采用CT(計(jì)算機(jī)斷層掃描)獲得的人體骨骼圖像,通過(guò)UG軟件完成對(duì)人體骨骼模型的建模。人體骨骼模型如圖1所示,結(jié)合PowerMILL軟件編制出加工刀具路徑(見(jiàn)圖2),并進(jìn)行后置處理,生成數(shù)控機(jī)床能夠識(shí)別的NC代碼,然后基于Vericut仿真軟件,模擬刀路軌跡的正確性,對(duì)NC代碼進(jìn)行驗(yàn)證,最后采用i5系統(tǒng)AC搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心完成人體骨骼模型的加工。采用這種加工方法,不僅大大縮短了加工時(shí)間,提高了生產(chǎn)效率與工件質(zhì)量,而且降低了醫(yī)療成本。

      圖1 人體骨骼模型

      圖2 PowerMILL軟件編制的加工刀具路徑

      2 工藝方案

      人體骨骼模型通過(guò)UG三維逆向生成,產(chǎn)品的最大外形尺寸為φ78mm×80mm(不含底座),模型中曲面和圓弧過(guò)渡較多。試驗(yàn)選用毛坯型材為φ80mm尼龍棒,選用型號(hào)為i5M8.4的五軸數(shù)控機(jī)床,最高轉(zhuǎn)速12000r/min、穩(wěn)定精度可達(dá)0.005mm,滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

      人體骨骼模型加工工藝卡及PowerMILL加工參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。人體骨骼模型的加工工藝策略分為:模型區(qū)域清除(三軸定軸毛坯加工)、旋轉(zhuǎn)精加工(四軸基座精加工)、模型殘留區(qū)域清除(3+2軸半精加工)、點(diǎn)投影精加工和直線投影精加工(五軸聯(lián)動(dòng)精加工)。

      表1 人體骨骼模型加工工藝卡及PowerMILL加工參數(shù)設(shè)置

      3 三軸定軸粗加工

      三軸定軸粗加工如圖3所示,采用模型區(qū)域清除的加工策略進(jìn)行模型粗加工。通過(guò)固定刀軸方向和A/C軸旋轉(zhuǎn)角度的方法,使五軸機(jī)床轉(zhuǎn)變成傳統(tǒng)三軸立式加工中心進(jìn)行開(kāi)粗,提高了加工效率。以Post2為加工坐標(biāo)系并加工第二側(cè)面毛坯時(shí),當(dāng)?shù)毒呒庸ぶ林虚g薄壁位置時(shí),由于模型底部沒(méi)有足夠的支撐,刀具會(huì)因機(jī)床振動(dòng)而出現(xiàn)振刀、彈刀現(xiàn)象,影響模型加工質(zhì)量,且無(wú)法加工第三側(cè)面和第四側(cè)面的殘余,因此改進(jìn)工藝,將模型劃分成4個(gè)區(qū)域進(jìn)行加工。以Post1、Post2為加工坐標(biāo)系加工時(shí),應(yīng)單邊限制刀具加工至模型中心上方20~30mm的距離,此時(shí)以Post2為加工坐標(biāo)系加工第二側(cè)面時(shí),底部存在加工第一側(cè)面預(yù)留的20~30mm的距離,以及第二側(cè)面自身加工預(yù)留的20~30mm的距離,加工時(shí)底部有了足夠厚度(約40~60mm)的支撐,刀具不會(huì)出現(xiàn)振刀、彈刀現(xiàn)象。然后以Post3、Post4作為加工坐標(biāo)系加工第三側(cè)面和第四側(cè)面,并加工至中心線以下2~5mm,保證模型完整去除毛坯部分。加工第三側(cè)面和第四側(cè)面時(shí),由于模型自身作為支撐,則不會(huì)出現(xiàn)振刀、彈刀現(xiàn)象,從而提高了人體骨骼模型的加工效率與加工質(zhì)量。

      圖3 三軸定軸粗加工

      4 3+2軸定軸半精加工

      以i5系統(tǒng)AC搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心為例,3+2軸加工方式的本質(zhì)是將五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心的工作臺(tái)變?yōu)楣潭ǚ较颉⒐潭ń嵌?,刀具軸向不再變化,對(duì)模型3D型面進(jìn)行加工。3+2軸半精加工如圖4所示。采用A/C兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸先將人體骨骼模型固定在一個(gè)傾斜位置(見(jiàn)圖4a),即A/C軸工作臺(tái)根據(jù)人體骨骼模型型面的需要轉(zhuǎn)到A-45°,C=DC(0°),再由刀具沿X、Y和Z方向進(jìn)給進(jìn)行加工。當(dāng)加工完當(dāng)前區(qū)域后,再根據(jù)加工需要,調(diào)整A/C軸角度繼續(xù)進(jìn)行其他區(qū)域的加工。

      曲面的3+2軸加工如圖4b所示。其中vf為進(jìn)給速度,α為刀軸與切削表面法向矢量?jī)A角。3+2軸數(shù)控加工方式是把曲面當(dāng)作近似的平面進(jìn)行加工,通過(guò)將刀具軸向傾斜一個(gè)角度,以避免零切削速度加工,從而獲得理想的加工效果。通過(guò)機(jī)床A/C軸回轉(zhuǎn)臺(tái)定義空間中的旋轉(zhuǎn)工作平面,在此工作平面可以進(jìn)行2D或3D加工編程操作,合理設(shè)置其他參數(shù),生成模型半精加工的刀具路徑軌跡。

      圖4 3+2軸半精加工

      5 五軸聯(lián)動(dòng)精加工

      人體骨骼模型形狀不規(guī)則,曲面分布無(wú)規(guī)律,側(cè)面扭曲程度較大,頂部骨骼存在倒扣區(qū)域,如果采用傳統(tǒng)的三軸機(jī)床進(jìn)行加工,則需要多套專用工裝夾具,并重復(fù)進(jìn)行拆卸、裝夾和定位,無(wú)法保證加工質(zhì)量,且加工效率低。i5系統(tǒng)AC搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心各軸運(yùn)動(dòng)方向如圖5所示,采用五軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行加工,模型裝夾一次即可完成所有工序的加工,減少了拆卸、裝夾、定位次數(shù)及配套的工裝夾具,提高了加工效率與加工質(zhì)量。PowerMILL提供了5種投影精加工策略,分別是:點(diǎn)投影精加工、直線投影精加工、平面投影精加工、投影曲線精加工和曲面投影精加工。根據(jù)人體骨骼模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分別采用點(diǎn)投影精加工和直線投影精加工。

      圖5 i5系統(tǒng)AC搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心各軸運(yùn)動(dòng)方向

      6 程序的生成

      五軸機(jī)床的坐標(biāo)系與三軸機(jī)床的坐標(biāo)系有所不同。五軸機(jī)床中X、Y軸的原點(diǎn)是回轉(zhuǎn)盤(pán)C軸的中心點(diǎn),Z軸的原點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)A軸與回轉(zhuǎn)盤(pán)C軸的軸線交點(diǎn)。后處理時(shí)NC參數(shù)選擇如圖6所示。在NC參數(shù)選擇時(shí),要保證人體骨骼模型位置坐標(biāo)系與輸出用戶坐標(biāo)系保持一致,并使編程時(shí)的加工坐標(biāo)與工件裝夾時(shí)的坐標(biāo)系保持一致。在輸出刀具刀位點(diǎn)時(shí),加工刀具為立銑刀時(shí)要選擇刀具中心作為刀位點(diǎn),加工刀具為球頭刀時(shí)要選擇刀具刀尖作為刀位點(diǎn),輸出文件類型可以設(shè)置為.NC或.TXT格式。

      圖6 后處理時(shí)NC參數(shù)選擇

      7 Vericut仿真及數(shù)控加工

      采用與i5系統(tǒng)AC搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心相匹配的后處理,經(jīng)后處理器生成機(jī)床可識(shí)別的NC代碼,為了確保NC代碼的可行性和正確性,需要通過(guò)Vericut仿真軟件進(jìn)行模擬仿真,仿真驗(yàn)證無(wú)干涉、過(guò)切及欠切等現(xiàn)象。圖7為人體骨骼模型仿真后的光亮陰影圖像,驗(yàn)證無(wú)誤后,通過(guò)DNC(Distributed Numerical Control)直接數(shù)字控制傳輸?shù)綌?shù)控機(jī)床進(jìn)行人體骨骼模型加工。加工后的人體骨骼模型產(chǎn)品實(shí)物(毛坯材料為尼龍棒)如圖8所示。

      圖7 人體骨骼模型仿真后的光亮陰影圖像

      圖8 加工后的人體骨骼模型產(chǎn)品實(shí)物

      8 結(jié)束語(yǔ)

      本項(xiàng)目依托南昌工學(xué)院校級(jí)課題(項(xiàng)目編號(hào):NGKJ-20-10)和江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):GJJ202503)進(jìn)行研究。根據(jù)現(xiàn)代智能制造加工的特點(diǎn),以人體骨骼模型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工為研究對(duì)象,通過(guò)UG逆向生成三維模型,采用PowerMILL進(jìn)行五軸加工刀具路徑的編寫(xiě),生成加工刀具軌跡。經(jīng)過(guò)i5系統(tǒng)專用五軸后處理器生成NC代碼文件,通過(guò)Vericut仿真驗(yàn)證后,應(yīng)用i5系統(tǒng)AC搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心完成了人體骨骼模型的加工。

      研究采用三軸定軸粗加工的方式對(duì)人體骨骼模型四面進(jìn)行開(kāi)粗,提高了產(chǎn)品在加工時(shí)的剛度,減少了因振動(dòng)而引起的彈刀現(xiàn)象;3+2軸定軸半精加工切除了三軸定軸粗加工無(wú)法加工的倒扣區(qū)域,減少了產(chǎn)品的殘余加工量,為后續(xù)五軸精加工提供了較少且均勻的殘余余量,保證了刀具精加工時(shí)受力均勻,從而提高了加工效率與加工質(zhì)量,同時(shí)也為其他類似產(chǎn)品的加工提供了借鑒。

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