基于CAD的復雜曲面寬行數控加工仿真與優化

尹剛

摘要：對于我國先進制造技術來說，數控技術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的發展。在這一方面，數控加工編程技術一直是數控技術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、電子等領域自動化進程的不斷加快，它對于我國復雜曲面零部件數控加工技術提出了比以往更高的要求，并且在科技發展的過程中我們越來越發現復雜曲面寬行數控技術有明顯的優勢。本文是基于CAD的復雜曲線寬行數控技術加工仿真與優化一個簡單的敘述，希望對復雜曲面寬行數控技術的發展有一定意義。

關鍵詞：CAD;復雜曲面;寬行數控;加工仿真

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

一、CAD的復雜曲面寬行數控技術

我國從上世紀80年代就有學者提出了復雜曲面寬行數控加工的概念，并且在接下來的30年中取得了很大的發展。寬行數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。

相比傳統的刀位算法，寬行數控加工算法雖然有更大的技術難度，但它還是具有多方面的優勢，它打破了以幾何數學為基礎的窄帶點接觸加工算法，即傳統刀位算法，而是以數值方法作為刀位計算的數學基礎。這樣就讓刀具和工具曲面有最好的匹配度。從目前的數據來看，它可以超越傳統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濟收益。

二、復雜曲面寬行數控加工仿真

我們可以通過CAD進行電腦制圖、數字建模，然后利用軟件加工仿真，對刀具進行合理路徑規劃以及刀位文件的生成、刀具軌跡仿真以及數控后置處理等一系列操作。通過虛擬加工對現實中的加工環境進行模擬，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，提高零件的加工精度。我們可以基于CAD的數字建模，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。

涉及到復雜曲面的一般都是一些復雜零件，而復雜零件數控代碼極其繁多，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，并且提高復雜零件加工的精度和質量，我們需要建立模型，對這些數控代碼進行仿真加工。通過仿真可以優化數控代碼，并且可以進一步的精確模擬我們在實際環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實的環境中的可加工性。

三、CAD的復雜曲面寬行數控優化

（一）刀位優化

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，以便進行后續的精加工，所以對于刀位的技術也要求不是特別高，但是后續的精加工以及磨削和拋光，對于刀位技術有著很高的要求。我們現在所需要的是對刀位進行優化，然后找出一種可以快速產生更小的殘余高度的一種精加工技術，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效率。我國已實現寬行加工為目標的到位算法，在短短十幾年來已經取得了很大的發展，不管是在理論上還是在應用上。

（二）刀軌優化

通常來說，如果我們要對復雜曲面進行加工，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，我們必須要經過刀具定位，刀軌規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。

刀軌規劃它主要是根據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，也會繼續影響到曲面加工后的零件的表面質量，所以刀軌的技術以及最重要的是刀軌規劃算法是一個非常重要的數控技術。如果我們要對刀軌規劃進行優化的話，主要是在等參數線法、等距截平面法和等殘留高度法三個基礎方法上進行改進的，我國已經有非常多的專家結合各種分析，精細了刀軌的規劃算法，從而減少了一些非線性的誤差問題。對于復雜曲面加工主要的優化是基于曲面的局部幾何信息，將刀軌進行優化以后，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量有大幅度的提升。

（三）刀具優化

對于刀具的優化，我們主要可以有以下兩點，就是刀具后跟角的優化和刀具側偏角的優化，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偏角，所以我們對于其到位優化的策略相應的也需要進行一定的調整。我們需要先對刀具側偏角進行優化調整，以使刀具進給方向兩側的最大干涉量相同，在這個的基礎上然后再對刀具后跟角進行一定程度的調整和優化，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。

結語

隨著科學技術的進步以及自動化進程的加快，數控技術在各個領域都得到了廣泛的利用，并且未來會得到更多的重視與應用。因此作為數控技術的重要且核心部分，復雜曲面寬行數控技術的加工仿真與優化，也是一個我們需要重點研究的內容，希望未來我們可以在保證零件加工精度的基礎上，然后通過各方面的加工仿真與優化，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.復雜零件數控加工的仿真與優化研究[J].福建電腦，2020，36（04）：23-26.

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