關于復雜曲面五軸數控加工刀軸矢量優化方法的重要探究

季榮榮

（南通工貿技師學院,江蘇 南通226000）

關于復雜曲面五軸數控加工刀軸矢量優化方法的重要探究

季榮榮

（南通工貿技師學院,江蘇 南通226000）

當前五軸加工方法應用于加工中曲面形狀的干涉與突變處理時，會在其前后的加工點中出現刀軸矢量的一種劇烈變化，這就使得刀具破損而對加工的質量產生直接的影響。因此，要想有效的解決這一問題，就是生成刀軸的光順軌跡，而對于光順刀軸生成矢量的問題，這種方法第一步在不受干涉的區域中有效的插入限定加工點位，從而確保刀軸矢量得到整體優化，從而防止過切加工同時又不使加工點數目增加，進而實現刀軸矢量優化。

復雜曲面;五軸數控;刀軸矢量;優化措施

1 前言

近幾年來，五軸加工在數控加工領域中的應用越來越廣泛，該加工方法是相對三軸加工方式而言的，利用五軸加工技術，可以有效提高復雜曲面加工質量，并保證加工的表面更加的精確，在汽輪機的葉片、船用的螺旋槳和推進器等復雜曲面工件中被廣泛的應用[1]。但是，因為增加了兩個旋轉軸，要想實施五軸加工就必須要掌握更加反復的技術，此外，五軸加工的這一特征也不利于充分發揮其應用價值。現階段對于五軸加工的刀具軌跡規劃研究一般要求我們針對加工表面軌跡的生成情況以及干涉狀況進行重點處理，同時強調加工過程中的刀路插值設計，但是忽視公共工作中的刀軸矢量，不利于對其進行優化，假如在加工過程中刀軸矢量出現過大變化就會對道具造成損傷，阻礙加工工作的正常開展，不利于保證加工質量，情節嚴重的還會引發工件報廢現象由此可知，對于刀軸的矢量優化研究至關重要。

2 刀軸矢量的優化生成對策

要想有效的優化刀軸矢量，需要注意的問題很多，比如：防止出現加工奇點與加工干涉及過切現象，避免加工工作出現重復或者發生漏加工問題，此外，還必須要對最小退刀次數進行有效明確，確定加工數量的最小值。以上優化途徑的實施均需要在在確保加工精度的基礎前提下實施，才能避免因加工曲面形狀出現變形為導致刀軸矢量發生改變，另外，在加工工作中還應該注意避免發生全局干涉情況，盡量減少或杜絕出現局部干涉，針對干涉區域出現的例如加工過切等問題，首先要對刀軸矢量實施有效優化[2]。我們必須要通過科學控制、優化刀軸矢量，實現提高幾何學上的刀軸矢量光順質量的目的，因此，本文針對非干涉區域的刀軸矢量光順途徑進行了探討，主要探討內容包括：（1）利用加工點的插入，保證各個刀軸矢量位置的前后夾角均能小于預設夾角數值，實現刀軸光順。（2）在達到刀軸光順要求的基礎上研究干涉區域范圍內的科學角度，避免發生局部干涉或者全局干涉，通過這種方式實現對加工工作的完善和優化，避免出現加工過切等問題。

3 計算方法

（1）在沒有發生全局干涉的加工位置，假如其前后加工矢量夾角之間存在較大差異，應該根據插入加工點，對符合插入刀軸矢量的加工點設施計算，并針對該加工點開展遞歸計算，判斷該點能不能有效進行插值操作[3]。在進行加工點插入時，應該綜合分析下刀軸矢量夾角約束的條件，即：[f(s)-f(m)/f(s)]≤εf

在這個公式當中，f(s)代表現階段加工點以及下一個加工點的刀軸矢量夾角；f(m)代表待插入點以及下一個加工點的刀軸矢量夾角；εf則代表給定角度存在的誤差。

（2）在出現全局與局部干涉區域處，要同時防止干涉，并且防止在剛進入和退出干涉區域中所出現的加工過切現象。而為了更加清晰的了解這個區域刀軸矢量優化的生成方式，文章主要采取的是安全空間概念。

根據安全空間概念雖然能夠在干涉區域范圍內順利獲得刀軸矢量光順的可行與范圍，但是僅僅依靠其可性欲很難有效防止進入與退出干涉區域時刀軸矢量產生突變狀況。假如僅僅在進入干涉區域范圍的位置以及退出干涉區域范圍的位置進行刀軸矢量光順很難杜絕加工過切問題的發生[4]。所以，在進出干涉區域的過程中，可以利用加工點刀軸矢量間夾角，順利構建附加矢量相應的約束條件，通過這種方式成功計算出加工點位刀軸矢量，并科學評估其與干涉模型曲面之間存在的對應關系，在對刀軸矢量實施優化時必須要防止加工過切，并生成刀軸矢量光順的首要步驟。在進入與退出干涉區域加工點引入矢量附加的約束條件，如下所示：

[f(Pin)-f(Pin-1)/f(Pin)]≤εf

[f(Pout)-f(Pout+1)/f(Pout)-]≤εf

在這個公式中，f(Pin)代表進入到干涉區域中首個加工點以及之后一個加工點刀軸矢量之間形成的夾角；f(Pin-1)表示進入到干涉區域前一個加工點和進入到干涉區域首個加工點刀軸矢量的夾角；f(Pout+1)代表干涉區域末個加工點以及下一個加工點刀軸矢量形成的夾角；εf表示其與給定角度之間存在的誤差。

綜合分析以上條件，能夠對刀軸矢量進出干涉區域過程中的處理方式進行判斷，確定是否需要避免加工過切，之后明確開展矢量旋轉的加工點處理項目

4 安全空間判定條件與生成方法

4.1 判定的條件

局部干涉：通過分析加工點表面的法向量可以對局部干涉進行確定，針對刀軸矢量的各個加工點，最多只能覆蓋到與其相對應的半球區域。

全局干涉：可以有干涉曲面與刀具表面相交與否來判斷。

4.2 生成的方法

因為安全空間在生成各點的過程中具備一定的連續性，所以在對其采集精度實施設定工作時要根據其實際的連續點進行設定，把禁行區域各個空間區域的邊線，分別向新的安全空間偏置，并將其新組成的各個偏置編元素收集起來，從而生成安全空間[5]。

5 結束語

綜上所述，文章提出了數控加工的優化方法中充分的考慮到其物理過程，也就是加工的過程中刀具矢量動力學對于加工質量存在的一些影響等，提出了相關的優化方案，防止刀軸矢量的過大變化給工件引起的沖擊，從而有效的把加工質量進一步提高。

[1]張鳴,劉偉軍,卞宏友.基于自由區域的環切軌跡優化連接方法[J].中國機械工程，2011(04):254-255.

[2]畢慶貞,王宇晗,朱利民,丁漢.刀觸點網格上整體光順五軸數控加工刀軸方向的模型與算法[J].中國科學:技術科學，2010(10):102-103.

[3]王晶,張定華,吳寶海,羅明.基于臨界約束的四軸數控加工刀軸優化方法[J]機械工程學報，2012(17):271-272.

[4]畢慶貞,王宇晗,朱利民,丁漢.刀觸點網格上整體光順五軸數控加工刀軸方向的模型與算法[J].中國科學:技術科學，2010(10):634-635.

[5]尹周平,丁漢,熊有倫.基于可視錐的可接近性分析方法及其應用[J].中國科學E輯:技術科學，2003(11):357-358.