五軸數(shù)控加工光滑無干涉刀具路徑的規(guī)劃措施

楊鐵

摘 要：五軸數(shù)控加工技術的關鍵就在于路徑的規(guī)劃， 在于如何更好地回避刀具與工件的干涉，本文從復雜曲面五軸刀具路徑規(guī)劃的角度入手，分析了五軸數(shù)控加工中干涉的分類，提出了五軸數(shù)控加工光滑無干涉刀具路徑規(guī)劃的主要措施，主要集中在優(yōu)化刀具形狀以及優(yōu)化刀具軌跡算法這兩個方面，從而確保了加工效率和加工精度。

關鍵詞 五軸 數(shù)控加工 干涉 刀具路徑

與傳統(tǒng)的三軸數(shù)控加工技術相比，五軸數(shù)控加工增加了兩個旋轉(zhuǎn)自由度。因此，五軸數(shù)控加工不僅可以控制刀具進行不同方向的平動加工，而且可以利用兩個旋轉(zhuǎn)軸，使五軸數(shù)控機床的刀具能夠快速實現(xiàn)在任意方向的自由加工。由此看出，五軸數(shù)控加工的巨大優(yōu)勢在于刀具路徑的控制，這主要表現(xiàn)在以下幾個方面。首先，五軸數(shù)控加工可以任意改變刀軸方向，因此可以避免刀具與加工部件的干涉，進而順利完成復雜曲面的加工。其次，五軸數(shù)控加工便于隨時調(diào)整刀軸方向，使刀具與加工曲面能夠很好地匹配，并可以增大有效切寬，從而實現(xiàn)大型、復雜曲面的有效加工。再次，由于五軸數(shù)控加工技術能夠有效控制刀軸方向，從而大大改善了加工條件。例如，在加工葉輪等曲率較大的曲面時，只需采用剛度較小的小型刀具，并通過有效控制刀軸方向，就能大大減小刀具懸伸量，同時還能夠有效控制刀具的作用區(qū)域，減小刀具的磨損，從而在很大程度上確保了五軸數(shù)控加工的質(zhì)量。基于以上原因，與三軸數(shù)控技術相比，五軸數(shù)控加工技術具有不可比擬的優(yōu)勢。但是，由于五軸數(shù)控加工多出了兩個旋轉(zhuǎn)自由度，因此使得其刀具路徑規(guī)劃的就更加復雜。總之，五軸數(shù)控加工技術的關鍵就在于路徑的規(guī)劃，在于如何更好地回避刀具與工件的干涉，特別是加工復雜曲面零件時，必須考慮到刀具與工件的幾何約束，當有干涉出現(xiàn)時，可通過調(diào)整刀軸方向來避免干涉，在離散的刀觸點處計算出刀具的可達方向錐，可以直接判斷零件的可加工性，減少甚至可以避免對刀具路徑進行反復的調(diào)整和檢測，優(yōu)化了刀具路徑，最終生成無干涉刀具路徑。

本文在總結(jié)五軸數(shù)控加工中干涉分類的基礎上，從復雜曲面五軸刀具軌跡規(guī)劃的角度入手，分析了五軸數(shù)控加工光滑無干涉刀具路徑規(guī)劃的主要措施，以確保在保證加工精度的同時提高加工效率。

1.五軸數(shù)控加工中的干涉類型

在五軸數(shù)控加工過程中，常見的刀具干涉類型主要有三種，分別為碰撞干涉、過切干涉及超程干涉。

1.1.碰撞干涉

碰撞干涉也可稱之為全局干涉，它是指刀具與機床主軸相對于非加工部位的干涉。例如，刀刃與工件的干涉、刀具切削的干涉、刀具移動中的干涉及固定零件與可動零件的干涉，這些都屬于碰撞干涉。造成碰撞干涉的影響因素主要有：加工曲面的曲率、刀具的形狀等。

1.2.過切干涉

對于工件表面與刀具切削部位的干涉，我們稱之為過切干涉。一旦發(fā)生過切干涉，工件表面原本不被切除的地方被刀具切除，這往往容易引起工件公差的超標。過切干涉類型主要有三種，即為刀具尾端過切干涉、局部過切干涉及移動過切干涉。

1.3.超程干涉

一旦刀具刀位點的相位或坐標超過了機床的行程范圍，我們就稱之為超程干涉。這種干涉比較少見，其原因往往是由于數(shù)控編程者缺乏操作經(jīng)驗或失誤等因素造成的。

2.五軸數(shù)控加工光滑無干涉刀具路徑規(guī)劃的主要措施

五軸數(shù)控加工中刀具路徑規(guī)劃的優(yōu)劣，將對其加工效率和加工精度具有重要影響。所謂刀具路徑，就是指刀具相對工件運動的軌跡，其規(guī)劃的目的在于如何更好地回避刀具與工件的干涉，無干涉刀具路徑規(guī)劃措施主要集中于優(yōu)化刀具形狀以及優(yōu)化刀具軌跡算法這兩個方面。

2.1.優(yōu)化刀具形狀

五軸數(shù)控加工的成形原理為單參數(shù)面族包絡原理， 其真實的加工誤差為刀具包絡面相對于工件曲面的法向誤差，在五軸數(shù)控加工中，如果刀具形狀不同，其干涉部位和干涉判斷就會有所不同。因此，對刀具形狀及切削部位分布進行合理優(yōu)化，就可以在很大程度上避免或減少刀具的干涉。例如，在五軸數(shù)控加工過程中廣泛采用的球頭刀，由于球頭刀具有著良好的自適應功能，且其對過切干涉具有快速檢查的特殊性能，因此在加工行業(yè)中被得到普遍應用。但是，球頭刀具的切削速度會隨著切削位置的不同而發(fā)生改變，尤其是在球頭中心附近的切削速度接近于零。因此，在那些小曲率曲面條件下，采用球頭刀具加工時的切削質(zhì)量往往比較差，其在加工效率方面的表現(xiàn)也往往不如人意。再加上要生產(chǎn)出能夠適應變切削速度的球頭刀具，其價格往往非常昂貴。一旦被磨損，刀具的修整也非常復雜。而非球頭刀具能通過調(diào)整其位置和姿態(tài)， 可以使刀觸點軌跡線附近帶狀區(qū)域內(nèi)的刀具包絡曲面更加接近理論設計曲面，從而顯著提高給定精度下的加工帶寬，增大了刀具的有效切削面積，可以獲得高效去除率， 提高加工效率。

由此可見，在加工復雜工件時，特別是結(jié)構復雜的組合模具，為了避免刀具與工件的干涉，從而生成無干涉刀具路徑，進而保證切削質(zhì)量和效率，選擇不同形狀的刀具，優(yōu)化刀具形狀，就顯得尤為重要。

2.2.優(yōu)化刀具軌跡算法

為避免工件、夾具以及在工件周圍可能與刀具發(fā)生的干涉，就必須計算出刀具和工件的接觸點，得到刀觸點序列，根據(jù)刀觸點序列和刀具形狀確定刀位點的位置，從而規(guī)劃出刀具的運動軌跡，而不同的計算方法對刀具的運動軌跡影響很大，因此，優(yōu)化刀具軌跡算法也就顯得至關重要。刀具軌跡算法主要有以下幾種：

2.2.1.等參數(shù)線法

等參數(shù)線法較為簡單，因此被得到廣泛應用。這種算法基于原始曲面的參數(shù)路徑，故而容易獲取。由于大部分被加工曲面的構建過程都有著固定的曲面參數(shù)，因此很多刀具就借用了這些參數(shù)來獲取加工路徑。但是，僅通過借助這些參數(shù)生成的路徑，往往很難有效控制工件表面的曲面精度。其結(jié)果往往是，在曲面較窄的部位上，刀具路徑過于復雜，而在曲面較寬的位置，刀具路徑又過于稀疏。在這種條件下，工件表面粗糙度不能得到保證，表現(xiàn)得很不均勻，甚至會出現(xiàn)路徑重復的結(jié)果，其加工精度也難以保障。

2.2.2.等距截面法

這種算法包含CL和CC兩種。其中，CL路徑截面線法是在加工過程中，其刀具路徑可以被運用到另一個曲面。由此一來，在被加工曲面上產(chǎn)生的刀具偏置面就將與上述曲面形成一條交線，CL路徑截面線法就將這一交線就作為刀具路徑。而對于CC路徑截面線法，則是利用加工過程中刀具與工件的接觸作為另一曲面的路徑。相對CL路徑截面線法來說，CC路徑截面線法對加工時刀具路徑的控制比較容易，刀具路徑的分布也比較均勻。特別對于那些參數(shù)分布不太均勻的復雜曲面，CC路徑截面線法的加工效率往往表現(xiàn)地更高，但其路徑算法相對更加復雜，計算工作量比較大。

2.2.3.等殘留高度法

在加工刀具運動時，如果保持其運動軌跡的殘留高度不發(fā)生變化，這種算法稱之為等殘留高度法。該算法的實現(xiàn)，其關鍵在于控制相鄰運動軌跡之間的距離，即無論曲面的曲率怎樣改變，加工后的殘高一定要保持穩(wěn)定。等殘留高度法的加工區(qū)域既可以適合垂直加工區(qū)域，也可適應水平加工區(qū)域。在加工過程中，刀具的受力能夠保持均勻，且可在當前刀具軌跡條件下，就很方便地計算出后續(xù)的刀具路徑。因此，這種刀具路徑的計算量相對比較小，計算速度相對較快。其缺點在于，當工件曲面的參數(shù)不穩(wěn)定時，有可能影響切削效率。

2.2.4.投影法

投影法不僅需要考慮刀具按照既定路徑（亦稱為導動曲線）進行曲線運動，還需要考慮工件表面的形狀特征。因此，投影法的路徑往往是沿著導動曲線在工件表面上的投影進行的。投影法比較適應于具有特殊曲面的加工工件。特別是在有碰撞干涉的情形下，通過投影法往往可以有效限制刀心點。其原因是由于在這種工件表面上，每一接觸點的法向方向不盡相同，這使得刀具干涉不容易發(fā)生，由此可以使刀具路徑更能得到有效控制。例如，很多復雜曲面（型腔曲面等）常常采用投影法來進行加工，而其他算法卻并不適用。

因此，在五軸數(shù)控加工過程中，應根據(jù)加工表面的復雜程度和形狀特征，合理選擇最佳的刀具軌跡算法，得到最佳的刀觸點序列，才能更好地回避刀具與工件的干涉，從而得到光滑無干涉刀具路徑。

3.結(jié)語

五軸數(shù)控加工技術的關鍵在于刀具路徑的規(guī)劃，需要注意有效避免刀具與工件的干涉。無干涉刀具路徑規(guī)劃措施主要集中于優(yōu)化刀具形狀以及優(yōu)化刀具軌跡算法這兩個方面。對刀具形狀及切削部位分布進行優(yōu)化，可以在很大程度上避免或減少刀具干涉。在五軸數(shù)控加工過程中，還應考慮工件曲面的復雜程度和參數(shù)特征，從而探索一種既具備良好的通用性，且計算簡單，又能夠保證加工質(zhì)量和加工效率的規(guī)劃方法。

參考文獻

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