復雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量優(yōu)化方法研究

屈海軍

（江蘇安全技術職業(yè)學院，江蘇 徐州221011）

重視復雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量優(yōu)化方法研究，有利于提高產(chǎn)品加工表面精度，優(yōu)化加工方式的同時確保加工質(zhì)量可靠性，促使復雜曲面銑削水平得以不斷提升。因此，在開展復雜曲面五軸數(shù)控加工作業(yè)時，為了減少刀具磨損，全面提高工件加工質(zhì)量，需要注重與之相關的刀軸矢量優(yōu)化方法使用，并落實好相應的研究工作?；诖?，本文重點對復雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量優(yōu)化生成方法以及復雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸可行域生成及加工過切的避免進行了分析。

1 有關復雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量優(yōu)化生成方法分析

為了提升復雜曲面五軸數(shù)控加工水平，給予工件加工質(zhì)量可靠性科學保障，需要注重其刀軸矢量方法使用，并找出有關光順刀軸矢量的優(yōu)化算法，了解其優(yōu)化原理及實現(xiàn)方法。具體表現(xiàn)在以下方面[1]：

1.1 實踐中的算法優(yōu)化原理

在復雜曲面五軸數(shù)控加工過程中，為了對加工曲面進行描述，可用一個或一組曲面表達出加工過程中刀具某一點的軌跡，即加工曲面描述時可通過對刀具路徑的合理運用來實現(xiàn)。實際操作中應加強計算機網(wǎng)絡與信息技術使用，在計算機三維空間中確定端銑刀與、加工面的接觸關系，并獲得相應的局部坐標系。此時，需要在復雜曲面五軸數(shù)控加工中對刀具軸向、進給方向、刀位定位點、刀軸偏轉(zhuǎn)點等要素進行充分考慮，以便更好地理解光順刀軸矢量算法的優(yōu)化原理。該原理為：根據(jù)刀具方向角（傾角與導角）的變化，了解加工過程中刀具對切削橢圓的實際作用效果。通過對刀具傾角與導角的有效改變，能夠避免復雜曲面五軸數(shù)控加工中的局部加工干涉或全局干涉，進而在算法優(yōu)化中確定刀具傾角與導角的最佳取值，滿足曲面加工要求的同時確保五軸數(shù)控加工方式下工件質(zhì)量可靠性。

1.2 實踐中的算法實現(xiàn)方法

在尋找復雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量優(yōu)化方法的過程中，為了確保其相關的算法能夠得到優(yōu)化處理，則需要了解刀軸矢量優(yōu)化算法的實現(xiàn)方法。具體表現(xiàn)為：

（1）若加工過程中未發(fā)生全局干涉，則應根據(jù)插入加工點的實際情況，在計算機的支持下對該點進行遞歸計算，并控制好刀軸矢量間的夾角；

（2）若刀具加工中發(fā)生了全局與局部干涉，則需要在對應的加工區(qū)域充分考慮加工過切的情況，并在處理過程中選取某一加工點的非干涉區(qū)域，將該區(qū)域命名為安全空間。實踐過程中若復雜曲面五軸數(shù)控加工的所有加工點能夠構成安全空間集，則在該空間集所形成的可行域中能夠得到相應的刀軸矢量方法，從而為工件加工中全局與局部干涉的避免提供參考依據(jù)；

（3）為了避免工件加工中出現(xiàn)加工過切現(xiàn)象，也需要在刀具進入或離開干涉區(qū)域處設置相應的約束條件，并在計算機三維空間中確定刀軸矢量與刀具運動中干涉模型曲面之間的關系，且關系所涉及的對象之間是相互對應等，促使刀軸矢量生產(chǎn)方法實踐應用中能夠得到相應的優(yōu)化算法。

同時，在加工點的刀軸矢量分析中，應根據(jù)加工點數(shù)量的多少，確定相應的線性關系或復雜程度高的函數(shù)關系，進而確定所求的刀軸矢量，最終在連續(xù)可行域的支持下，確保復雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量整體優(yōu)化有效性。

2 復雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸可行域生成及加工過切的避免分析

2.1 加工點生產(chǎn)中的安全空間及刀軸的可行域

所謂的安全空間，是指復雜曲面五軸數(shù)控加工中某一加工點的非干涉區(qū)域。實踐過程中加強安全空間法使用，能夠為工件加工中所有加工點刀軸矢量的安全空間集獲得提供支持，確保刀軸矢量計算精度的良好性，從而為五軸數(shù)控加工中加工過切現(xiàn)象的避免提供所需的參考信息。

在加工點安全空間生成的過程中，可從這些方面入手：

（1）結合實際情況，通過對復雜曲面五軸數(shù)控加工中加工點處表面法向量的合理運用，設置好加工過程中的局部干涉判定條件；

（2）將刀具表面與干涉曲面分別看作STSI[2]，對二者是否相交進行判斷，確定全局干涉條件。當這些判定條件設置好后，應根據(jù)加工過程中加工點的實際情況，生成對應的安全空間。

在此基礎上，根據(jù)加工點域的安全空間集，采用連續(xù)疊加的方法在刀具傾角及導角域內(nèi)得到各加工點的投影，從而確定所求的可行域。

2.2 刀軸可行域的優(yōu)化

為了避免加工過程中出現(xiàn)局部干涉或全局干涉，全面提高工件加工效率，延長刀具使用壽命，則需要對刀具可行域進行優(yōu)化處理。具體表現(xiàn)為：

（1）根據(jù)刀具運動路徑，將各加工點的角度的二階導數(shù)控制在最小的范圍內(nèi)，確保刀具旋轉(zhuǎn)動作處于可行域中；

（2）在計算機網(wǎng)絡與信息技術的支持下，確定刀具傾角與導角最優(yōu)值。

2.3 避免加工過切時的刀軸矢量優(yōu)化

結合上述所述的安全空間法，為了避免復雜曲面五軸數(shù)控加工中出現(xiàn)加工過切現(xiàn)象，則需要對刀軸矢量進行優(yōu)化處理。具體表現(xiàn)為[3]：

（1）在計算機三維空間中，確定出加工中可行域內(nèi)的加工點數(shù)目，進而在擬合函數(shù)的作用下確定這些點對應的傾角與導角，最終生成有效的刀軸矢量，實現(xiàn)對加工過切現(xiàn)象的有效應對；

（2）在加工可行域的支持下，將各加工點的軌跡連接起來，進行確定相應的刀軸矢量。實踐過程中若將這些措施實施到位，則能為刀軸矢量優(yōu)化提供可靠保障，提高工件加工質(zhì)量。

3 結束語

綜上所述，復雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量優(yōu)化方法具有重要的應用價值：確保工件加工質(zhì)量可靠性，優(yōu)化五軸數(shù)控加工中的刀具工作性能，從而為工件整體加工水平的不斷提升提供科學保障。因此，未來復雜曲面五軸數(shù)控加工過程中相關人員應根據(jù)實際情況，給予其刀軸矢量優(yōu)化方法使用足夠的重視，并在實踐生產(chǎn)中對加工刀具性能及工件質(zhì)量可靠性進行科學評估，以便為該方法實際應用范圍擴大打下堅實的基礎。

[1]季榮榮.關于復雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量優(yōu)化方法的重要探究[J].山東工業(yè)技術，2014（17）：57-58.

[2]趙吉賓，劉偉軍.復雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量優(yōu)化方法研究[J].機械工程學報，2013（07）：176-177.

[3]鐘 波.復雜曲面五軸數(shù)控加工中刀具位姿優(yōu)化研究[D].沈陽：沈陽理工大學，2013.