復雜曲面數控加工刀具軌跡的生成技術

摘 要：當前，隨著全球經濟一體化速度的不斷，各個國家之間的競爭激烈程度不斷增強，在這個過程中，各個國家的制造業的水平對于一個國家在國際分工中的地位以及國際競爭了具有重要的影響，在一定程度上決定了國家的經濟地位。數控加工技術是制造業中的重要部分，其中的刀具軌跡規劃是復雜曲面數控加工的重點研究內容，因此，本文針對復雜曲面軌跡規劃關鍵技術進行分析，并指出復雜曲面數控刀具軌跡的生成技術，旨在改進軌跡規劃算法，提高制造加工的質量和效率。

關鍵詞：復雜曲面；數控加工；軌跡規劃；優化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.035

0 引言

隨著時代的發展，汽車、機械以及船舶等工業產品的制造發展速度不斷提高，在這個過程中對于各種由復雜空間自由曲面構成的零件使用量也是在不斷的增多，由于這類曲面類零件加工是數控加工的重點研究對象，對于社會對于復雜曲面數控技術的進步提出了新的要求。為了實現復雜曲面零件的數控加工，需要首先生成復雜曲面的刀具軌跡，并在此基礎上處理得到所需要的NC代碼。本文針對復雜曲面數控加工的刀具軌跡的生產技術出發進行研究，并在分析和總結現有軌跡規劃方法的基礎上，指出其中需要改進的地方，進一步探討促進復雜曲面數控加工刀具軌跡規劃的發展。

1 復雜曲面數控加工刀具軌跡生成概述

（1）刀具軌跡生成。所謂刀具軌跡，是在切削刀具上規定點走過的軌跡，而復雜曲面數控加工刀具軌跡生成是指，根據所選用的加工機床、走刀方式、刀具以及加工余量等各個因素，通過零件的幾何模型，進行的刀位計算并生成加工運動軌跡的過程。刀具軌跡生成對于數控加工具有重要意義，尤其是能否生成有效的刀具軌跡直接決定了現有數控加工的生產的可能性，并且影響著數控加工的質量和效率。另外，高質量的數控加工程序中需要保證使用的編程精度，還要能夠滿足編程效率高、通用性好和加工時間短的要求，只有這樣才能保證刀具軌跡的有效生成。

（2）刀具軌跡生成的相關因素。首先，是刀具軌跡拓撲結構，具體是指刀具跟蹤一系列刀位點形成曲面時的走刀模式，環切走到模式和行切走刀模式是現有復雜曲面數控加工中較為常見的軌跡，能夠適應曲面局部較為復雜的特征，在工程制造的實際應用程度較高。

其次，是刀具軌跡參數，所謂刀具軌跡參數具體是指走刀步長和行距，前者主要是指同一軌跡上，由于受到加工誤差大小的影響，相鄰兩刀位點之間的距離。后者主要是形容有刀具幾何形狀、殘余高度和曲面幾何信息因素決定的相鄰軌跡間對應刀位點的距離。走刀步長和行距的大小與加工曲面精度之間存在反比關系，即步長和行距越大，加工曲面的越粗糙，但是處理時間和內存的占用越小，具有較高的效率。

最后，是刀具軌跡評估。對于生成刀具軌跡的優劣判斷需要進行評估，主要是質量、效率和魯棒性三個方面進行評估。質量評估是指在生成的刀具軌跡必須是殘余高度在一定的范圍內，并且無干涉。效率評估是指處理時間和內存的占用量必須在一定的范圍內，另外，實際的加工時間也是在評估的時候給與考慮。所謂魯棒性，是指刀具軌跡的適應能力。

2 刀具軌跡的生成方法

對于刀具軌跡的生成方法，最重要的一點是需要代碼質量高，能夠保證生成的刀位軌跡代碼量較小，并且必須是無干涉。現在對于刀具軌跡的生產方法比較常見的是導動面法、參數線加工法和平行截面法。

（1）導動面法。所謂導動面法是指，為了保證刀具按照正確的軌跡運動，需要引入一個導動面，來保證切削刀具在零件表面與導動面相切。值得注意的是，在使用三軸球頭刀加工曲面時，刀具軌跡在在本質上是零件面的等距面和導動面等距面的交線，導動面法能夠保證是由零件面和導動面決定生成的刀具軌跡。

（2）參數線加工法。所謂參數線加工法，是指在生成刀具軌跡時以被加工曲面的參數作為刀具路徑接觸點。參數線加工法是復雜曲面數控加工刀具軌跡生成中最為基本的方法，主要的原因是因為計算量較小并且計算較為簡單，但是，僅僅適合曲面參數線分布較為均勻的情況，如果分布不均勻的情況下，使用此方法的刀具軌跡加工效率較低。

（3）平行截面法。所謂平行截面法，是指使用平行截面截取加工曲面或者是偏置面，加工曲面主要是交線作為刀觸點刀具軌跡，后者主要是刀位點刀具軌跡。在具體的使用過程中一般情況下會將曲面離散，形成多面體模型，主要是由一系列的小三角面片或者是四邊形面片。雖然這種方法較有成效，但是在使用研究中發現，由于截面間距的控制難度較高，所以在曲面的不同部位，特別是陡峭處生成的軌跡疏密程度與平坦處的軌跡疏密程度之間存在較大差別，在整個刀具軌跡的生成這能夠造成殘余高度分布并不均勻。

3 行距和走刀步長的確定

（1）行距。行距經過精算之后，選擇的最優行距對于刀位軌跡的生成具有至關重要的作用。在具體情況下，計算行距多是采用刀具半徑、殘余高度以及曲面曲率半徑三者之間的復合函數。最優的行距既不能過小，也不能太大，主要原因是，行距選擇的過小，容易在加工的過程中導致加工時間的延長，對于生產加工效率的提高產生不利影響。而行距過大，就會導致曲面殘余高度的數值變大，所以會導致加工精度降低。因此，在計算行距的過程中，需要在計算的過程中考慮到加工時間和加工質量等多個因素，保證選擇最優或者是最合理的行距。

（2）走刀步長的確定。曲面加工的刀具軌跡在理論上應該是由刀具和曲面之間嚙合形成的復雜曲線，但是在具體的運作中，由于使用的CNC插補能力有限，所以這個復雜曲線只能是變現為一系列的小直線段。刀具通過線性插補運動跟蹤刀位點，在這個過程中走刀步長的大小，會直接影響著刀位數據密度的大小，并且對于加工程序也是有著較大的影響。走刀步長過小，會導致刀位數據密度過大，雖然是能夠提高表面質量，但是會在一定程度上降低加工效率。因此，在確定走刀步長的過程中，需要在考慮精度的前提下確定，事實上，無論是采用哪種確定方式，都是會產生一定的誤差。

4 結論

刀具軌跡生成技術是數控加工中最為重要的技術，對于實際應用具有重要影響，現在的技術還存在著較多的問題，需要在數控編程不斷發展中逐步解決，提高復雜曲面數控加工刀具軌跡生成的質量。

參考文獻：

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[2]王宏遠.復雜型面加工過程中刀位軌跡的研究[D].蘭州蘭州理工大學測試計量技術及儀器，2015.

作者簡介：劉松玲（1981-），女，河南南陽人，本科，助教，研究方向：機械制造工程。