基于在机测量的多轴蛋雕技术

《装备制造技术》2021年第2期
基于在机测量的多轴蛋雕技术
井平安1,陈远洋1,杨建新1,于宗宇2,李睿1
(1.清华大学基础工业训练中心，北京丨00084;2.北京精雕集团，北京102308)
摘要：目前在机测量技术在数控机床上的应用越来越多对在鸡蛋表面雕刻进行工艺分析，利用在机测量技术，通过在 鸡蛋曲面布置测量点探测鸡蛋表面数据，重构鸡蛋实际曲面，利用五轴联动机床在鸡蛋表面雕刻，最终在鸡蛋表面形成图案。

将多轴编程、在机测量有机结合，为同类零件加工提供参考。

关键词：蛋雕；多轴加工；在机测量；Surfrnill编程
中图分类号:TG659 文献标识码:A 〇引言
近几年在机测量技术在数控加工上应用越来越 广泛，很多机床开始配备在机测量设备，随着在机测 量技术在数控加工上的应用，很多原来复杂的或难 度较大的数控加工技术开始变得相对简便，利用五 轴联动机床在鸡蛋表面雕刻图案是一个考验机床性 能、多轴数控机床编程能力、加工工艺管控能力、在 机测量的综合例子夂电子科技集团三十八研究所的 黄艳云曾利用3D扫描仪扫描单个鸡蛋，然后将扫 描结果进行逆向造型，得到鸡蛋造型并进行雕刻；中国矿业大学银川学院的张彪、杨延奇等人，曾利用 solidvvorks建立蛋雕模型，并利用3D打印机打印出 来|2】。

1零件结构分析与编程
1.1零件分析
本文所要加工的对象为生鸡蛋，生鸡蛋一般为 不规则椭圆个体。

生鸡蛋蛋壳厚度较薄，平均厚度大 概在0.2〜0.3 mm之间，并且蛋壳材质易碎，在加工 过程中需要机床具有良好的力学控制性能3鸡蛋个 体差异较大，因所采用的为直接采购的生鸡蛋，每个 生鸡蛋个体均不同，所以鸡蛋个体大小、蛋壳表面的 曲面均不相同。

鸡蛋雕刻坐标系设置，因每个鸡蛋个 体大小不同，在对鸡蛋进行加工时，对刀操作的位置 也只是一个大概位置，不会特别精准。

夹具设计|31，因为鸡蛋具有易碎的特性，鸡蛋夹具设计也需要充分 考虑。

因蛋壳较薄，故采用刀具不能太大，所刻表面
文章编号：1672-545X(2021 )02-0033-03
深度不宜过深，综合分析，选用30°0.2 mm的锥度平 底刀，所刻深度设置为0.03 mm,所选测头为雷尼绍 </>5mm的测头。

1.2零件建模
选取一批大小类似的鸡蛋，进行测量，得到鸡蛋 模型的大概数值，经过测量可知，鸡蛋高度平均约65 mm,宽度约为44 mm,因此利用3维建模软件solid- works按照所得数据 对鸡蛋进行三维建模 （图 1)，三 维建模后，将鸡蛋模型转化为IG S格式模型h i备用。

图1鸡蛋模型
1.3夹具设计
鸡蛋形状不规则且比较薄易碎，固定装夹比较 困难。

电子科技集团的黄艳云曾经使用石蜡将鸡蛋 固定在工装上，本文针对鸡蛋表面特征进行分析，设 计了一个鸡蛋蛋壳表面加工的夹具。

夹具上部开有 放置鸡蛋的凹槽，凹槽内部设置有密封槽，密封槽内 安装密封圈，凹槽下部中空，底部连接有气管，利用 真空将鸡蛋吸附在夹具上，利用密封圈使鸡蛋吸附 更加牢固，可靠。

夹具如图2所示，图3为鸡蛋放置
收稿日期：2020-丨1-18
基金项目：清华大学本科教学改革项目-新型多轴数控机床精密加工探索与实践教学(项目编号2020 ZY01_02)
作者简介:井平安（1990-),男，山东枣庄人，硕士，工程师,研究方向：非标机械设计及铣削加工技术
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Equipment Manufacturing Technology No.2,2021
在夹具上示意图。

图2夹具模型
图3夹具鸡蛋组合图
1.4零件编程
1.4.1编程准备
准备好需要在鸡蛋进行雕刻的文字或图案，这 里选择一个dxf格式的二维图图案，编程所使用的软 件为国产软件Surfmill9.0,将dxf格式图案、夹具模型 和鸡蛋模型分别导人Surfmill9.0 2D绘制和3D造型 模式下，为下一步编程做好准备。

1.4.2编程过程
首先打开编程软件Surfmill9.0 2D绘制模式下的 二维图图案，检查确定二维图图案所有线之间的距 离大于刀具最小直径0.2 mm，确认所有图案间距大 于0.2 mm后，通过并人3D环境命令，将二维图图案 并入到Surfmill9.0 3D造型模式，并调整图案与鸡蛋 位置，然后将图案利用包裹到面命令，包裹到蛋壳表 面，使得图案包裹到蛋壳表面的位置位于蛋壳中间 偏上部的位置。

调整鸡蛋和夹具位置，使得坐标系原 点位于鸡蛋顶部中心处。

然后开始对鸡蛋表面布置 测量点|51，选择在机测量、曲面测量，设置测头半径，测量点数量,拾取需要布置测量点的位置，进行自动布置测量点，确保所布置测量点位置完全包裹住图 案坐在位置，否者加工图案位置会加工不全,程序报 错，本程序中选择布置4行测量点，每行5个测量 点，总计20个测量点。

然后进人Surfmill软件加工模 式下，首先对在机测量程序进行编程，选择在机测 量-曲面测量路径组，设置在机测量编程参数，加工 域选择所布置的20个测量点，加工面选择鸡蛋表 面，刀具选择之前所确定的雷尼绍的测头，在测量设 置里面，可以适当将测头探测接近距离和探测距离 放大，因为蛋壳表面大小有一定的差异，适当放大测 量参数有利用提高测量程序的通用性。

测量程序编 写完毕开始进人图案加工编程161,选择五轴曲线加工 组，加工区域选择包裹到蛋壳表面的图案，加工深度 设置为0.03 mm，加工刀具选择30°0.2 mm锥度平底 刀，主轴转速设置为11 〇〇〇r/s,进给速度设置为1 100 mm/min，在测量补偿里勾选使用曲面测量数据，点击计算，加工程序编写完成。

加工图案和所布测量 点如下图4所示。

图4图案和所布测量点
1.5仿真模拟
选择机床模拟，本次蛋雕加工所选用的机床为 北京精雕JDGR100,将所述零件和夹具按照实际装 夹情况安装在机床工作台上。

勾选碰撞检查选项，勾 选曲面测量和五轴曲线加工路径组，进行仿真I观 察模拟加工路线和是否有碰撞过切报警，如路径仿 真无问题，选择程序输出，为下一步加工做准备。

下 图5为零件和夹具在机床上安装，图6为仿真模拟 过程。

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《装备制造技术》2021年第2期
图5零件和夹具安装
图6仿真模拟
2加工过程
按照机床仿真过程，将所需刀具安装在机床上， 刀具编号要与编程所使用的刀具编号相同，夹具安 装在机床工作台上，鸡蛋安装在夹具上，调人程序进 行加工。

为了安全，第一次加工开启手轮试切模式， 以便出现问题及时处理。

加工过程见下图7,加工后 零件成品见图8所示。

图8
成品零件
3总结
利用在机测量技术，将实际表面难以完全建模 的零件，进行类似建模、在机测量编程、加工程序编
程、在机测量检测|81,根据测量结果得到的零件实际 表面进行加工，最终得到想要的零件。

蛋壳厚度大约 在0.2 m m ,在机测量技术对蛋壳表面的探测拟合精 度，对加工能否顺利进行、加工质量有着很大的影
响，本文通过对蛋壳表面布置测量点，并对测量点进 行合理的位置调整，序号调整，然后对零件进行编 程、模拟加工，确认模拟加工正常后，对零件进行实 际加工，最终得到想要的零件，为同一类类似但不规 则零件编程加工提供一定的参考。

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图7
实际加工
(下转第47页）
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Control Strategy for Micro High-speed AUV with Single Propeller
SHI Di-fan1,FENG Zheng-ping12
(1.School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240, China;2.State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240, China)
Abstract:Micro high—speed autonomous underwater vehicle(AUV)with single propeller suffers from severe roll m o—tion induced by propeller torque,which leads to coupling of horizontal plane and vertical plane and even capsizing during turning and diving.A control strategy combining active control and passive control is proposed for the motion control of micro high-speed AUV.Differential action of rudder and elevator is used to generate active roll stabiliza­tion torque,and the internal structure of AUV has been re-arranged in limited space to reduce the loss of maneu­verability caused by active roll control.Roll,heading and depth sliding mode controllers are designed.An alloca­tion method,which gives priority to roll control command,is applied due to the saturation constraints of actuators. Simulation results show that this control strategy can reduce the loss of maneuverability when effectively stabilizing roll motion,reduce the coupling of vertical and horizontal plane,and improve depth and heading tracking ability. Key words：micro high-speed autonomous underwater vehicle(AUV);propeller torque;roll stabilization;sliding mode control
m m命〜.m u♦♦n伞(上接第19页）
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Kinematics Analysis and Simulation of 4-DOF Industrial Robot
ZHANG Hong-bo丨，MENG Dan丨，PAN Yi-bin2，FENG Bao-lin^YUE liang-liang丨，LI Lei丨
(1.Changzhou Institute of Advanced Manufacturing Technology,Jiangsu 213164, China;
2.Hefei Gutai Automation Co.,Ltd.,Hefei Changzhou 230051, China)
Abstract: Taking the industrial robot with four degrees of freedom in high dust environment as the research ob­ject,the kinematics equation of the robot was established by D-H method,and the analytical solution of its posi­tion was obtained.The 3D virtual prototype of the robot was established by SolidWorks software,and the kinemat­ics simulation was carried out with RecurDyn software.
Key words：industrial robot;kinematics analysis;kinematics simulation
(上接第35页）
A NC Programming Method for Small Batch and Multi Variety Parts
JING Ping-an1，CHEN Yuan-yang1，YANG Jian-xin1，YU Zong-yu2,LI Rui1
(1 .Fundamental Industry Training Center,Tsinghua University,Beijing 100084, China;
2.Beijing Jingdiao Group,Beijing 102308, China)
Abstract：At present,the application of on machine measurement technology in CNC machine tools is more and more.In this paper,through the analysis of the process of carving on the egg surface,using the on-machine mea­surement technology,through the arrangement of measurement points on the egg surface to detect the egg surface data,reconstruct the actual surface of the egg,use the five axis linkage machine tool to carve on the egg surface, and finally form the pattern on the egg surface.In this paper,the combination of multi axis programming and on machine measurement provides a reference for the processing of similar parts.
Keywords：egg carving;multi-axis manufacturing;on-machine measurement;surfmill programming
47。