不規則曲面件是工程技術界廣泛應用的一大類零件，顧名思義，其最典型的特點是形狀不規則，故設計制造均比較麻煩。薩克斯哨片是單簧管薩克斯的發聲件，屬于不規則曲面件，其材料是木質（蘆竹）。傳統的加工方法是用普通機械加工或手工加工，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，數控加工技術越來越成熟．故對薩克斯哨片的自動設計和加工原理及方法進行研究，具有相當的必要性和切實的可行性。本文介紹使用CATIA軟件，以薩克斯哨片為例，建立哨片三維實體模型，并進行加工過程的仿真，經過后置處理生成數控代碼的原理及方法。

1 不規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先制成的靠模為依據，加工時觸頭對靠模表面施加一定的壓力，并沿靠模表面移動，通過仿形結構使刀具作同步仿形動作，從而在模具零件上加工出與靠模型面相同的反向型面。只要在普通的機床上裝上仿形機構．根據已經制作好的模型就可以進行仿形加工。這種方法適合加工復雜的零件表面，然而這種加工方法必須要有模型才能加工，只能一比一的復制，不能為同類產品的設計提供數字信息。

　　1.2 逆向工程加工

　　逆向工程(Reverse Engineering，RE)技術是針對現有物體，特別是具有不規則曲面的物體，利用三維數字化測量儀器測量出輪廓坐標值，構建曲面，經過對曲面的過渡、縫合等操作建立模型，然后將模型轉至一般的CAD/CAM系統進行仿真，再由加工中心進行加工制造，或采用快速成型技術制造樣品模型或零件。采用這種方法，設計人員除了可以復制同類產品之外，也可獲得產品特征信息，并根據需求進行一定的改進和設計。故而在文物復原、創新設計中應用較多。類似薩克斯哨片這樣的產品，同一種大小的哨片有不同的規格，適合不同基調，就適合用這種方法進行設計加工。

　　1.3 數控仿形加工

　　數控仿形加工是介于逆向工程和靠模仿形加工之間。對于實物模型數字化測量得到的空間散亂數據拓撲結構不統一、CAD模型重建難以實現、后續的曲面裁剪、曲面變換等計算困難的情況，勢必影響最后的數控加工和加工精度。因此，直接將散亂掃描數據點生成數控加工代碼進行加工，這種基于測點數據的直接數控仿形加工方法，具有操作簡單、計算穩定、加工效率高等優點。但同時也存在仿形加工的缺點，雖然數控仿形可獲得模型的特征信息，但仍然只能一比一完全復制，而無法應用CAD/CAM技術進行設計和改善。

2 不規則曲面件模型創建

　　在逆向工程中，所創建的模型形狀好壞直接關系到產品加工仿真的精確性，因而模型創建是非常重要的環節。隨著逆向工程技術的發展，各種軟件處理曲面的能力越來越強大，其中CATIA、NX等曲面造型軟件比較常用，本文用CATIA軟件進行模型創建。

　　2.1 不規則曲面模型的創建方式

　　2.1.1 點云一面

　　這種方法是由點云直接擬合得到曲面片，曲面片再經過過渡、修剪、縫合等方式形成完整曲面。以三角化點云、B樣條曲面、NURBS曲面的插值和逼近等數學方法得以實現。這種直接擬合的方式計算量大，對點云數據要求高，點云數據的好壞直接影響了曲面的質量。在不規則曲面重建中應用較多，特別是文物復原無法用一般建模方式得到曲面時使用，建模過程中不包含特征信息。

　　2.1.2 點-曲線-面

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

　　2.2 薩克斯哨片模型創建

　　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，本文采用“點-曲線-面”的方式來進行擬合。運用CATIA中的常規曲向設計命令，根據所測得的數據進行特征剖面線的創建，將所有的剖面線依次繪制，得出整體的曲線結果，經過CATIA擬合之后，對各條曲線進行調整和修改，使整個輪廓面光滑通順，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 不規則曲面仿真加工

　　自由曲面沒有規律可循，一般的加工方法是無法實現的，隨著數控技術的發展，人們逐漸采用數控加工的辦法，但是手工編程需要不斷修正，繁瑣費時，于是設計員通常先在軟件內設置加上參數進行數控仿真，并對仿真的結果進行分析和改進，由軟件自動生成數控代碼，輸入數控機床進行加工。這樣一來，整個生產過程就大大縮短。如計算機模擬中出現了問題．也可以很快解決。目前，Pro/E、CATIA各NX等三維軟件都可以進行數控的仿真加工。下面以薩克斯哨片為例，用CATIA軟件來進行仿真。

　　3.1 加工要素設定

　　仿真加工時，其留下需嬰加工的部分。首先創建加工毛坯，大小應與模型加工部分大小相同，設置各項加工要素，包括數控機床、參考坐標系、關聯的加工部件和幾何體等內容。在圖中依次選取加工對象和加工機床之后，將坐標原點設定為端面底面的中點，將坐標系改為數控機床的加工坐標系，各坐標軸的方向與數控機床各坐標軸方向一致。

圖3 加工要素設定

　　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、輪廓驅動加工、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。點選圖標，可以設置刀具的進退刀路路徑。設定好各項參數之后，進行刀路仿真，CATIA就能夠自動生成仿真刀路。

　　3.3 數控程序生成

　　刀路仿真結束之后，通過后置處理將數控刀具路徑轉換為數控機床可以識別的數控程序(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。數控程序的類型主要有：刀具位置文件、刀位源文件、NC codP(數控程序)、In ProcessModel(圖形處理文件)。在特征樹中選擇Manufacturings Program.i結點，在彈出的菜單中選擇Generate NC Code Interactivealy(交互式生成數控程序)命令。

Generate NC Output Interactively對話框，在NC data type(數控數據格式)下拉列表框中選擇NC code(數控程序)，并選擇與數控機床系統相對應的數控代碼。

　　由CATIA所生成的部分數控程序，將該程序導入數控銑床就可對薩克斯哨片進行加工。

4 結束語

　　生活中有很多物體部屬于自由曲面件，而制造業必須不斷地發展以適應人們生活所需。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，應用本文論述的原理及方法。在建立好模型之后，進行仿真加工，軟件將自動生成數控加工代碼，為加工的精確性和安全性提供依據。同時對于擁有不規則曲面的產品，用本文的方法，可以更好地重建產品外形并進行改進，使產品的設計、修改、制造時間大大減少，大夫縮短產品加工的時間，提高產品品質，節約人力資源和資金，減少原材料損耗，提高企業的競爭力，并給社會帶來更大的效益，該方法必將取代傳統的設計方法而成為時代潮流。