五軸數控加工光滑無干涉刀具路徑的規劃措施

楊鐵

摘 要：五軸數控加工技術的關鍵就在于路徑的規劃， 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劃的角度入手，分析了五軸數控加工中干涉的分類，提出了五軸數控加工光滑無干涉刀具路徑規劃的主要措施，主要集中在優化刀具形狀以及優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 數控加工 干涉 刀具路徑

與傳統的三軸數控加工技術相比，五軸數控加工增加了兩個旋轉自由度。因此，五軸數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軸，使五軸數控機床的刀具能夠快速實現在任意方向的自由加工。由此看出，五軸數控加工的巨大優勢在于刀具路徑的控制，這主要表現在以下幾個方面。首先，五軸數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，五軸數控加工便于隨時調整刀軸方向，使刀具與加工曲面能夠很好地匹配，并可以增大有效切寬，從而實現大型、復雜曲面的有效加工。再次，由于五軸數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域，減小刀具的磨損，從而在很大程度上確保了五軸數控加工的質量。基于以上原因，與三軸數控技術相比，五軸數控加工技術具有不可比擬的優勢。但是，由于五軸數控加工多出了兩個旋轉自由度，因此使得其刀具路徑規劃的就更加復雜。總之，五軸數控加工技術的關鍵就在于路徑的規劃，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，當有干涉出現時，可通過調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整和檢測，優化了刀具路徑，最終生成無干涉刀具路徑。

本文在總結五軸數控加工中干涉分類的基礎上，從復雜曲面五軸刀具軌跡規劃的角度入手，分析了五軸數控加工光滑無干涉刀具路徑規劃的主要措施，以確保在保證加工精度的同時提高加工效率。

1.五軸數控加工中的干涉類型

在五軸數控加工過程中，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控編程者缺乏操作經驗或失誤等因素造成的。

2.五軸數控加工光滑無干涉刀具路徑規劃的主要措施

五軸數控加工中刀具路徑規劃的優劣，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，無干涉刀具路徑規劃措施主要集中于優化刀具形狀以及優化刀具軌跡算法這兩個方面。

2.1.優化刀具形狀

五軸數控加工的成形原理為單參數面族包絡原理， 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量往往比較差，其在加工效率方面的表現也往往不如人意。再加上要生產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整其位置和姿態， 可以使刀觸點軌跡線附近帶狀區域內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，進而保證切削質量和效率，選擇不同形狀的刀具，優化刀具形狀，就顯得尤為重要。

2.2.優化刀具軌跡算法

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，根據刀觸點序列和刀具形狀確定刀位點的位置，從而規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.等參數線法

等參數線法較為簡單，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，因此很多刀具就借用了這些參數來獲取加工路徑。但是，僅通過借助這些參數生成的路徑，往往很難有效控制工件表面的曲面精度。其結果往往是，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，表現得很不均勻，甚至會出現路徑重復的結果，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生變化，這種算法稱之為等殘留高度法。該算法的實現，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定。等殘留高度法的加工區域既可以適合垂直加工區域，也可適應水平加工區域。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，當工件曲面的參數不穩定時，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，在五軸數控加工過程中，應根據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.結語

五軸數控加工技術的關鍵在于刀具路徑的規劃，需要注意有效避免刀具與工件的干涉。無干涉刀具路徑規劃措施主要集中于優化刀具形狀以及優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化，可以在很大程度上避免或減少刀具干涉。在五軸數控加工過程中，還應考慮工件曲面的復雜程度和參數特征，從而探索一種既具備良好的通用性，且計算簡單，又能夠保證加工質量和加工效率的規劃方法。

參考文獻

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