基于CAD的復(fù)雜曲面寬行數(shù)控加工仿真與優(yōu)化

尹剛

摘要：對于我國先進制造技術(shù)來說，數(shù)控技術(shù)是其中必不可缺少的一項，并且它也逐漸成為一個重量指標，來衡量一個國家制造業(yè)的發(fā)展。在這一方面，數(shù)控加工編程技術(shù)一直是數(shù)控技術(shù)的重要且核心的部分，也是難點的一部分。并且隨著我國航空、汽車、電子等領(lǐng)域自動化進程的不斷加快，它對于我國復(fù)雜曲面零部件數(shù)控加工技術(shù)提出了比以往更高的要求，并且在科技發(fā)展的過程中我們越來越發(fā)現(xiàn)復(fù)雜曲面寬行數(shù)控技術(shù)有明顯的優(yōu)勢。本文是基于CAD的復(fù)雜曲線寬行數(shù)控技術(shù)加工仿真與優(yōu)化一個簡單的敘述，希望對復(fù)雜曲面寬行數(shù)控技術(shù)的發(fā)展有一定意義。

關(guān)鍵詞：CAD;復(fù)雜曲面;寬行數(shù)控;加工仿真

我國的數(shù)控加工編程技術(shù)相對一些發(fā)達國家來說還是有些滯后，雖然我國現(xiàn)有非常大數(shù)量的數(shù)控機床，但是很多機床利用率非常低，甚至發(fā)揮不出它的作用，所以我們需要不斷發(fā)掘他的潛力。我國在很多年前已經(jīng)從國外引進了先進的計算機輔助設(shè)計與制造系統(tǒng)（CAD），并且在很多領(lǐng)域得到了廣泛運用，但是很多核心的技術(shù)我們?nèi)匀粵]有使用權(quán)利與能力，所以我們需要通過自主創(chuàng)新來在這一方面得到進一步的發(fā)展。

一、CAD的復(fù)雜曲面寬行數(shù)控技術(shù)

我國從上世紀80年代就有學者提出了復(fù)雜曲面寬行數(shù)控加工的概念，并且在接下來的30年中取得了很大的發(fā)展。寬行數(shù)控加工算法主要包括兩類，第一類是基于廣域曲率吻合原則的到位算法;第二類是多點切觸到位算法。

相比傳統(tǒng)的刀位算法，寬行數(shù)控加工算法雖然有更大的技術(shù)難度，但它還是具有多方面的優(yōu)勢，它打破了以幾何數(shù)學為基礎(chǔ)的窄帶點接觸加工算法，即傳統(tǒng)刀位算法，而是以數(shù)值方法作為刀位計算的數(shù)學基礎(chǔ)。這樣就讓刀具和工具曲面有最好的匹配度。從目前的數(shù)據(jù)來看，它可以超越傳統(tǒng)到位算法大約五到十倍，大幅度的提高了加工效率，因此可以獲得更大的經(jīng)濟收益。

二、復(fù)雜曲面寬行數(shù)控加工仿真

我們可以通過CAD進行電腦制圖、數(shù)字建模，然后利用軟件加工仿真，對刀具進行合理路徑規(guī)劃以及刀位文件的生成、刀具軌跡仿真以及數(shù)控后置處理等一系列操作。通過虛擬加工對現(xiàn)實中的加工環(huán)境進行模擬，能夠更加有效地檢驗零件的可加工性以及工藝的合理性，充分利用虛擬仿真技術(shù)，提高零件的加工精度。我們可以基于CAD的數(shù)字建模，然后通過軟件完成零件的軌跡、生成、后處理等一系列的步驟[1]，然后進行分析仿真加工，尤其是利用一些比較典型的零件，利用銑削加工驗證仿真加工的可行性。

涉及到復(fù)雜曲面的一般都是一些復(fù)雜零件，而復(fù)雜零件數(shù)控代碼極其繁多，如果我們利用人工進行檢測，試驗以及機床運行一系列的代碼檢測時，會造成很大的精力、時間等其他資源的浪費。為了盡量避免這種浪費，并且提高復(fù)雜零件加工的精度和質(zhì)量，我們需要建立模型，對這些數(shù)控代碼進行仿真加工。通過仿真可以優(yōu)化數(shù)控代碼，并且可以進一步的精確模擬我們在實際環(huán)境中的零件加工過程，并且可以更加直觀地觀察到刀具的軌跡和在現(xiàn)實的環(huán)境中的可加工性。

三、CAD的復(fù)雜曲面寬行數(shù)控優(yōu)化

（一）刀位優(yōu)化

曲面加工它一般是要通過三個步驟才能夠完成，粗加工、精加工以及后續(xù)的磨削和拋光[2]。粗加工它僅僅是先去除掉大部分的材料，還有一定的富余，以便進行后續(xù)的精加工，所以對于刀位的技術(shù)也要求不是特別高，但是后續(xù)的精加工以及磨削和拋光，對于刀位技術(shù)有著很高的要求。我們現(xiàn)在所需要的是對刀位進行優(yōu)化，然后找出一種可以快速產(chǎn)生更小的殘余高度的一種精加工技術(shù)，這樣就可以再進行后一步的磨削和拋光工序中，減少這個階段對于曲面進行加工的時間，這樣就可以提高其生產(chǎn)效率。我國已實現(xiàn)寬行加工為目標的到位算法，在短短十幾年來已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，不管是在理論上還是在應(yīng)用上。

（二）刀軌優(yōu)化

通常來說，如果我們要對復(fù)雜曲面進行加工，他不只是一次走到就能夠完成，他通常需要多次走到才能完成。對曲面進行加工，我們必須要經(jīng)過刀具定位，刀軌規(guī)劃及無干涉檢測三個步驟，然后它的無干涉刀位軌跡才能夠順利生成。

刀軌規(guī)劃它主要是根據(jù)零件模型加工方案和誤差要求，然后生成刀具對于工件運動軌跡的過程，這個過程它不僅會直接決定到曲面加工的實際效率，也會繼續(xù)影響到曲面加工后的零件的表面質(zhì)量，所以刀軌的技術(shù)以及最重要的是刀軌規(guī)劃算法是一個非常重要的數(shù)控技術(shù)。如果我們要對刀軌規(guī)劃進行優(yōu)化的話，主要是在等參數(shù)線法、等距截平面法和等殘留高度法三個基礎(chǔ)方法上進行改進的，我國已經(jīng)有非常多的專家結(jié)合各種分析，精細了刀軌的規(guī)劃算法，從而減少了一些非線性的誤差問題。對于復(fù)雜曲面加工主要的優(yōu)化是基于曲面的局部幾何信息，將刀軌進行優(yōu)化以后，會減少一些機床在多種加工中的沖擊，同時會提高機床的利用率，并且會讓零件的曲面的表面加工質(zhì)量有大幅度的提升。

（三）刀具優(yōu)化

對于刀具的優(yōu)化，我們主要可以有以下兩點，就是刀具后跟角的優(yōu)化和刀具側(cè)偏角的優(yōu)化，我們可以通過一系列的算法，例如IAIM算法，通過求得滿足局部過切條件的刀具最小后跟角然后確定其最優(yōu)單位。還有一種方法是RCM算法，這種算法在計算多點到位時增加了一個刀具側(cè)偏角，所以我們對于其到位優(yōu)化的策略相應(yīng)的也需要進行一定的調(diào)整。我們需要先對刀具側(cè)偏角進行優(yōu)化調(diào)整，以使刀具進給方向兩側(cè)的最大干涉量相同，在這個的基礎(chǔ)上然后再對刀具后跟角進行一定程度的調(diào)整和優(yōu)化，然后找到滿足局部過切條件下最小刀具的后傾角，然后讓圓環(huán)面的刀具和工件的曲面之間能夠達到一個非常好的幾何匹配度。

結(jié)語

隨著科學技術(shù)的進步以及自動化進程的加快，數(shù)控技術(shù)在各個領(lǐng)域都得到了廣泛的利用，并且未來會得到更多的重視與應(yīng)用。因此作為數(shù)控技術(shù)的重要且核心部分，復(fù)雜曲面寬行數(shù)控技術(shù)的加工仿真與優(yōu)化，也是一個我們需要重點研究的內(nèi)容，希望未來我們可以在保證零件加工精度的基礎(chǔ)上，然后通過各方面的加工仿真與優(yōu)化，提高我們的實際加工效率。

參考文獻：

[1] 王成辰，徐東超，周鋒，卞金洪，王如剛.復(fù)雜零件數(shù)控加工的仿真與優(yōu)化研究[J].福建電腦，2020，36（04）：23-26.

[2] 孫心宇.復(fù)雜曲面的五坐標寬行數(shù)控加工技術(shù)研究[D].南昌航空大學，2016：1-79.