摘要：根据目前工业设计对手板模型的迫切需求，比较研宄了传统手板模型的制造工艺和以堆积材料为特征的快速 成型技术在手板模型制造中的特点和适用面。提出在以CAD/CAM技术为核心的CNC手板模型生产中，中小手板模型 企业在现有的数控加工条件基础上，通过优化CAD模型和编程参数提高加工精度和加工效率，满足生产需要。...

根据目前工业设计对手板模型的迫切需求，比较研宄了传统手板模型的制造工艺和以堆积材料为特征的快速 成型技术在手板模型制造中的特点和适用面。提出在以CAD/CAM技术为核心的CNC手板模型生产中，中小手板模型 企业在现有的数控加工条件基础上，通过优化CAD模型和编程参数提高加工精度和加工效率，满足生产需要。
手板是港台企业的说法，亦称首板，它是产品的第一 个模型，因为当初主要靠手工制造，所以称为手板。内地 传统称模型，现在沿海企业称手板模型，但英文名称是一 致的，本文统称手板模型。
1.传统手板模型制作手法
过去由于技术条件的限制，手板模型的制造主要用 手工完成的，材料多用容易成型的黏土、石膏、木材、泡沫 塑料等[1]，尺寸精度低，主要是表现实物形态，对制造人员 的手工技艺要求高，目前在产品的创意阶段和精度要求 不高的建筑模型中应用较多。
2.快速成型手板模型工艺分析
快速成型工艺 RPM Rapid Prototype Manufacturing) 在理论上说应该是最好的手板模型制造方法。快速成型 工艺的类型很多，但基本思想是一致的，利用CAD模型， 把零件分为很多层面制造，再结合，这就导致层内加工精度高，层之间精度低，特别是在浅平面处误差大。
手板模型制造中以 SLA Stereolithgraphy apparatus)
光敏树脂选择性固化应用最广泛。材料成本目前约10- 20元/g,包括支撑件等附加部分。SLA机的加工能力按体 积计算，单坐标尺寸小，许多大尺寸零件无法加工，大型 SLA机手板模型生产企业很难承受。另一方面光敏树脂 与常用材料差异很大，限制了模型的着色、上金加工。当 然成本问题随着生产规模扩大，至少能部分解决。
其它快速成型工艺如FDM Fused Deposition Modeling) 熔融沉积成型，SLS( Selected Laser Sintering)选择性激光 烧结技术因生成的材料有空隙，多在要求不高的手板模 型制造中应用。LOM Laminated Object Manufacturing)层 合实体制造方法的分层精度较低。目前，许多科研人员在 通过各种优化的方法提高分层拟合的精度[2]，但尚有一定 距离。快速成型设备目前尚未成为手板模型企业的标配， 只是在大型手板模型制造企业配置，多以SLA光敏树脂 选择性固化为主。
3.CNC 手板模型制造
1990年代以后，随着数控机床的大量应用，数控加工 的成本迅速降低，人们发现用数控机床加工手板模型不但 尺寸精度高、速度快，成本也有竞争性，使手板模型的大量 制造成为可能。另一方面，随着数控技术的发展，许多原 来不能加工的细微结构，都能用数控加工来完成。CNC手 板模型因为采取在整块材料上挖掘生产的方法，不但精度 高、刚度好，而且材质一致，真实感强，表面质量可以达到 很高的水平，在抛光、喷砂、喷漆、丝印、喷釉、电镀等后续 加工后，制造效果完全可以同模具生产的产品相媲美。
目前随着产品开发水平的提高，对手板模型企业提 出了更高的要求：手板模型生产的范围更广，成套的组 件模型装配需要对模型的精度提出更高要求；喷涂、上 金等后续加工要求对手板模型表面质量提出更高要求; 产品开发周期短，留给手板模型生产企业的时间更短， 很多企业不计成本地期望立即得到产品模型。一般成套 模型的生产时间是两天，包括数控编程、加工、模型表面 处理等，时间非常紧，目前手板模型生产企业只能通过增 加设备和外包，同时生产一套模型的各个零件来弥补生 产效率的不足，不但投资大，一般中小企业没能力，而且 对复杂零件不一定有效。在激烈的市场竞争中如何快速 高效的完成模型的生产，是所有手板模型生产企业面临 的重大课题。
3.1加工精度
3.1.1CAD模型的转换误差
手板模型的生产已实现了无纸化，手板模型制造公 司直接根据客户三维数据造型用自动编程软件开展数控 编程。由于造型和自动编程软件的不统一，需要通过标准 文件格式转换，这就带来误差。目前常用的IGES格式文 件转化的误差较大，同一曲线最大的误差为0.02mm,曲 面边界的误差更大，而且由于格式的不同，曲面越转越 碎，给后续处理增加难度。CAD模型的转换误差是客观存在的,自动编程前应重新确立基准面、基准线,有配合要 求的线、面应取转换后编辑产生的对象加工处理,不能视 转换的对象为完全相同。
3.1.2曲面加工误差
曲面加工的误差由两部分组成：刀具路径本身的拟 合误差和刀具路径之间的材料残留误差。
（1）刀具路径拟合误差
刀具路径方向上的插补拟合误差。CNC系统一般只 能进行直线、圆弧插补,而对于其它曲线则近似处理,数 控系统通过调整加工步长来控制误差，但这不是无限的， 不但受到机床运动精度的限制，而且刀具路径拟合误差 取得过小,可能使加工程序长度成倍增加,数控机床加工 效率降低。一般精加工时取0.01_0.02_，在粗加工和程 序调试阶段该项可以加大到0.1mm甚至更多,以提高编 程效率和加工效率。
（2）残留高度 理论研宄和实验表
明，曲面加工的粗糙度 主要就是指刀具路径之 间的残留高度，由刀具 路径之间的行距决定，
与刀具半径和工件表面 曲率有关，是曲面加工 误差的主要来源。目前 的自动编程软件已能计 算球刀加工的残留高度，但它们没有考虑面的倾斜情况。 面倾斜增大了实际刀间距,刀间距由x变为x/cosa，如图 1所示。

理论残留高度可按下式计算
H斜子卜2人^~)2 ( 1)
V 2cosa
式1)中，x为编程设置的刀间距;r为刀具半径；a为斜面 倾斜角度。
图2是球刀直径为6mm时，残留高度与倾斜角度的 关系曲线，可以发现倾斜角度超过65°时，残留高度增长 是非常快的。因此在陡斜面加工中不能迷信于加工软件 的提示。一般认为改变刀具路径角度可以保证部分陡斜 面的加工质量。但增大刀具路径和模型长度方向的角度 会增加抬刀次数，缩短平均直线行程，严重降低切削效 率。有时还不如用环绕等距方式代替。

加密刀路,可以降低理论残留高度,但加密刀路就意味加工时间的成倍增加,加密效果也不是无限的,另一方 面切削路径上的误差能达到0.01mm就不错了。一般塑料 手板模型材料软,球刀加工留下的尖峰体积小,可以留一 个精度等级给打磨。手板模型的加工质量最终按客户要 求执行,客户没有明示时,应根据后续加工需要安排,一 般有着色要求的可以按Ra1.63.2加工。
3.1.3零件的分拆
由于模型结构复杂和塑料板材厚度的限制，有时手 板模型需要分拆制作后拼接。有研宄机构在研宄根据材 料厚度,利用三维造型软件如UG等自动分层。CNC手板 模型与传统模型相比,最大的优点是精度高,强度好。所 以只要条件允许,尽量不要分拆,分拆较多的零件还不如 采用快速原形制造。一般的盒类零件，只要尺寸不是太 大,没有必要为节省材料而分拆。
3.2加工效率
3.2.1减少刀具路径的长度
在给定的切削速度和进给量前提下，和切削效率直 接相关的是刀具路径的长度,加工过程中,刀具路径总长 度越短,则加工时间越少。
手板模型一般用整块易切削材料直接切削加工的方 式制造，切削余量较大。目前应用最广泛的是塑料,多用 胶接安装，应该采取与金属加工不同的加工思路。
塑料材料较软,可以直接下刀切入,没有必要采 用螺旋下刀或斜线下刀。塑料模型胶接安装时整个底面 是稳定的，刀具可以从材料中实现分割切削加工,应避免 把所有的毛坯材料切除。
无论是编程效率还是机床的运动效率,二维加工 的效率和精度远远超过三维加工，编程时应尽力采用二 维方式编程和加工。
减少非切削运动。刀具运动包括切削运动与非切 削运动。非切削运动本身占用的时间并不多，但机床在非 切削运动与切削运动之间的频繁转换，会引起加减速时 间的增加。加工编程时可多选环绕切削方式。
双向切削与单向切削。通常认为双向切削改变了 顺铣逆铣的加工方式,对机床、刀具和加工质量不利,但 塑料较软,数控机床滾珠丝杠间隙小,所以影响不大,在 手板模型加工中可以大胆采用。
3.2.2提高程序插补运算的水平
数控加工程序常常通过数控机床的直线插补指令 G01用大量较短的直线段组成的折线轮廓来近似曲 线,这种由大量较短的直线段所组成的折线刀具路径， 在实际加工中导致机床运动转向和机床各坐标轴运动 的频繁加减速,从而导致实际切削运动速度下降,从机 床控制面板的速度反馈就可以发现，设定的进给速度 如几千毫米/分实际可能只在几百毫米/分以下跳动， 低的时候只有几毫米/分。同时模型轮廓精度和表面质 量也降低。
为保证机床的平稳运行,数学家提出了所谓C1连续 条件,即要求程序段之间,导数连续,过渡光滑,在硬材料 的切削上已经得到很好的验证[7]。在手板模型企业常用的 数控软件如MASTERCAM中通过程序过滤，在UG软件 中采用圆弧刀路甚至NURBS刀路可以有效增加程序步 长和程序的光顺性，提高程序运行速度。
3.2.3引入先行控制技术
先行控制技术一开始主要是为控制轮廓加工精度设 计的,数控系统DNC加工方式程序是边输入、边运算、边 执行,如果前一个程序段进给速度快,转向时由于惯性作 用可能过切，需要要先行减速。所以模具数控加工技术人 员在高精度的曲面加工时,才采用先行控制,通常认为延 长了加工时间。
但在程序段位移较短时，程序传输和处理不如运动 快。数控机床就不得不减速或停顿等待。假如在执行某个 程序段时,读取下几个程序段并进行运算,预先计算出下 几个程序段的运动轨迹和运动速度，根据后续加工的需 要安排进给速度和加/减速度,其结果实现了多个程序段 的平滑加/减速,提高了平均加工速度。
先行控制可以通过在程序中添加指令的方式实现， 读入一条至十几条指令，在FANUC系统中如G8，G5.1Q1; 或利用专门的硬件RISC)来实现,可以读入几千条指令。
4.结束语
CNC手板模型所用的塑料、铝等材料和许多产品一 致，切削加工效率高,是手板模型企业的首选。在目前快 速成型技术尚未普及的情况下，装备普通数控机床的手 板模型生产企业可以通过优化编程来提高加工精度和效
率，满足生产需要。