四軸聯(lián)動(dòng)雕刻機(jī)后置處理研究

0采用cd-cm技術(shù)的口腔修復(fù)體hcgam系統(tǒng)在口腔修復(fù)領(lǐng)域引入mac技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)、圖象學(xué)、工程教學(xué)和科學(xué)研究的發(fā)展而發(fā)展起來的。它不僅可以簡化傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝過程，而且可以提高修復(fù)效率，減輕患者的痛苦。因此,口腔修復(fù)體專用CAD/CAM技術(shù)的研究,對(duì)于口腔修復(fù)領(lǐng)域無疑具有重要的實(shí)用價(jià)值本文自主開發(fā)的口腔修復(fù)體HGCAM系統(tǒng),可以接受STL格式磨牙冠模型文件,生成高效的粗、精加工刀軌。目前該系統(tǒng)已經(jīng)從三軸加工發(fā)展到四軸聯(lián)動(dòng)加工,使磨牙冠的加工質(zhì)量得到進(jìn)一步提高。由于該CAM系統(tǒng)專注于刀軌生成和優(yōu)化算法,暫時(shí)還沒有開發(fā)通用的后置處理模塊。為了能夠在開發(fā)刀軌生成和優(yōu)化算法的同時(shí)及時(shí)驗(yàn)證算法的合理與否,本文開發(fā)了在四軸(1牙冠的加工磨牙是人體口腔中用于磨碎食物的牙齒,位于口腔的后部。磨牙損壞后,則先在牙齦上植入內(nèi)冠或在壞牙基礎(chǔ)上打磨成內(nèi)冠,再將加工好的磨牙冠套在內(nèi)冠上,內(nèi)冠與磨牙冠之間的間隙由專用的粘接劑填充。1.1牙冠的刀軌加工圖1、圖2所示分別是磨牙冠的正面和背面。由圖1、圖2所示可知,磨牙冠正面為工作面,具有復(fù)雜的因人而異的曲面造型,需要較好的表面質(zhì)量,其精加工刀軌必須連續(xù),不允許有接刀痕的存在。磨牙冠的背面為一內(nèi)腔,用于套在內(nèi)冠上,其尺寸精度和表面質(zhì)量要求不高。1.2用于研磨冠的加工工藝磨牙冠加工刀軌的刀位點(diǎn)采用基于頂點(diǎn)的STL數(shù)據(jù)模型快速等距算法生成,形成一層層平面環(huán)形刀軌1.3研磨冠部的加工設(shè)備磨牙冠的加工設(shè)備選擇四軸(模型的機(jī)床坐標(biāo)系2控制系統(tǒng)程序四軸以上數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)按功能特點(diǎn)分為不帶RTCP(即旋轉(zhuǎn)刀具刀位點(diǎn)位置保持)功能型和帶RTCP功能型。早期的和簡易的控制系統(tǒng)一般不帶RTCP功能,進(jìn)行四軸以上聯(lián)動(dòng)加工時(shí),要求NC程序計(jì)算出刀位點(diǎn)在機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)后的實(shí)際坐標(biāo)值。高檔控制系統(tǒng)比如海德漢iTNC530等都帶有RTCP可選購功能,優(yōu)點(diǎn)是坐標(biāo)變換由控制系統(tǒng)來實(shí)時(shí)計(jì)算,NC程序中的本文采用的四軸聯(lián)動(dòng)雕刻機(jī)是一種簡易的數(shù)控機(jī)床,其控制系統(tǒng)不具有RTCP功能。因此,后置處理程序除了將刀軸矢量換算成一般四軸聯(lián)動(dòng)加工在裝夾工件毛坯時(shí),都要使得編程原點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)中心重合,這使得四軸加工的準(zhǔn)備工作繁重、效率低下。根據(jù)上述雕刻機(jī)的情況,本文對(duì)加工坐標(biāo)系和編程坐標(biāo)系進(jìn)行分離處理:加工坐標(biāo)系的原點(diǎn)置于旋轉(zhuǎn)軸線上,其三個(gè)軸方向與機(jī)床坐標(biāo)系三個(gè)軸方向一致,相對(duì)于空間固定,NC文件的坐標(biāo)使用加工坐標(biāo)系,加工坐標(biāo)系原點(diǎn)置于卡盤端面中心,如圖3所示;編程坐標(biāo)系原點(diǎn)則置于工件毛坯上(為便于對(duì)刀,一般放在毛坯上表面中心),與機(jī)床無關(guān),刀位文件的坐標(biāo)使用編程坐標(biāo)系。2.1刀身文件的格式口腔修復(fù)體HGCAM系統(tǒng)生成的刀位文件格式如下:每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)程序段,2.2刀軸佐的取限旋轉(zhuǎn)軸可以360°旋轉(zhuǎn),則旋轉(zhuǎn)角取值范圍為[0°,360°)的情況:當(dāng)?shù)遁S矢量從取值范圍為[-180°,180°]的情況與[0°,360°]的情況類似,刀軸矢量在第3象限和第4象限之間跨越時(shí),在跨越之前,必須設(shè)置綜上所述,2.3旋轉(zhuǎn)角根據(jù)上述得出的2.4旋轉(zhuǎn)軸實(shí)際加工工件毛坯裝到機(jī)床上,操作者對(duì)刀時(shí)先找到加工坐標(biāo)系原點(diǎn),然后再找出編程坐標(biāo)系原點(diǎn)在加工坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(為了實(shí)現(xiàn)RTCP功能,編程坐標(biāo)系和刀軌要跟隨工件旋轉(zhuǎn),即二者相對(duì)于工件靜止,如圖6所示(圖中未顯示刀軌)。此時(shí),問題就轉(zhuǎn)化為刀軌坐標(biāo)從編程坐標(biāo)系向加工坐標(biāo)系的換算。圖6中編程坐標(biāo)系原點(diǎn)在加工坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(刀位軌跡在加工坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(后置處理出來的NC文件的每一個(gè)程序段坐標(biāo)值使用式(3)計(jì)算,3球頭銑刀仿真本文對(duì)粗加工刀軌進(jìn)行后處理并仿真,使用直徑為?1mm的球頭銑刀,仿真過程如圖7所示。粗加工后牙冠的仿真結(jié)果如圖8所示。仿真結(jié)果符合預(yù)期牙冠的造型。4設(shè)置ug后置處理設(shè)置本文對(duì)磨牙冠結(jié)構(gòu)特性、加工刀軌特點(diǎn)以及四軸聯(lián)動(dòng)雕刻機(jī)旋轉(zhuǎn)軸特性進(jìn)行合理地分析,在此基礎(chǔ)上開發(fā)的后置處理程序具有如下特點(diǎn)。1)工件裝夾時(shí)不需要使編程原點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心重合,編程原點(diǎn)可以置于工件上的任何位置,與機(jī)床無關(guān)。因此,簡化了工件裝夾,降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了準(zhǔn)備工作效率。2)采用后置處理專門算法對(duì)刀軌進(jìn)行RTCP處理,通過比較,處理速度是UG后置處理速度的10倍左右。3)針對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的線性特性,提出旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算區(qū)間和跨象限的處理方法,這對(duì)旋轉(zhuǎn)軸沒有最短距離旋轉(zhuǎn)功能的四軸以上機(jī)床具有一定的參考意