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曲面加工过程切削负载自适应新策略及其关键技术研究 摘要 ， 蛐面加【在模具、汽下、e 机、船舶和动力没备等的制造中具有重要地位，也一直是数 控技未和c a d c a m 的土要应_ l 和研究对象。随着世界范闻内市场竞争的日益加剧，迅速提 高曲面产鼎的加1 速度和加i ：精度，实现高速高精度曲面加工，成为制造业的迫切要求。不 断提高的加上速度，对加工过程中切削负载的有效控制提出了越来越高的要求。同时， 通过对加立程中切削负载的自适应控制，还可以进一步提高曲面产品的加丁效率和加 i ：质最，降低加f ：成本。冈此，结合曲面加t 技术的最新进展，研究高速高精度曲面加 1 中的切削负载白适应控制策略和算法，无疑具有重要的现实意义和实用价值。， 本文对曲面插补技术、加工过程自适应控制技术、基于加工过程仿真和传统n c 程序优 化的自适应方法进行了全面的总结和分析，指出，曲面实时插补克服了传统曲面加工摸式存 在的缺陷，在高速高精度曲面加工中有着巨大的优势和潜力，然而，目前的切削负载自适应 方法均不适应曲面实时插补加工过程。针对这一问题，本文首次提出了集成于曲面实时插补 算法的切削负载自适应策略。即通过在曲面实时插补算法中嵌入加丁t = 况在线仿真与进给速 度自适应处理模块，研究开发具有切削负载白适应控制功能的自适应曲面插补器。该白适应 策略的提出，不仅很好地解决了曲面实时插补加工过程中切削负载自适应控制的问题，也使 曲面实时插补技术的研究提高到了一个新的水平。 本文分析了白适应曲面插补器中加二【1 ：况在线仿真的要求和特点，首次提山了改进的球 头铣刀三轴加i ：过程平均切削力模型和基于z m a p 的平均切削力仿真算法。在此基础上，提 出了切削负载自适应控制的曲面实时插补系统的模块结构和算法流程，并详细论述了进给速 度自适应计算原理、进给速度平滑控制原理和算法。 f 在自适应曲面实时插补算法理论研究的基础上，本文首次对加工过程切削负载自适应控 制舸曲面c n c 直接加_ 丁系统进行了研究和探讨，给出了系统的硬软件结构和任务划分，论 述了系统的工作原理和运行过程。 本文分析了曲面零件铣削加上的过程和特点，指出，高表面质量要求曲面的精加t = 过程 要求同时保证均匀的切削负载和稳定的进给速度，现有的加工过程切削负载自适廊方法，要 么不适应这一特点，要么难以实现。针对这个问题，本文创造性地提出了通过控制半精加l ： 余量的分布来实现曲面产品恒切削力精加工的切削负载白适应策略，并称之为等切削力余量 模型方法。该方法的实现既不需要改变机床的进给速度，义不需要特别复杂的数控编程技术， 也不需要一套专fj 的切削负载实时测量和控制装置，更不存在响应速度方面的问题，因而在 高速高精度曲面加工中有着良好的应用前景。 曲面铣削过程切削力仿真技术是等切削力余量模型构造中的一个关键技术，本文以自由 曲面球头刀具二轴铣削加f 过程为例，对这一问题进行了深入的研究和论述。首次提出了基 丁实体造型技术的自由曲面球头铣刀三轴加j 二过程三分量铣削力仿真方法：用基于u gi l 的 实体造型技术表示j ：件、刀具、刀具扫描体以及被切除材料实体，用分段二次n u r b s 曲线 表示刀具切削刃，通过n u r b s 曲线和被切除材料实体之间的求交运算抽取参与切削的切削 刃片段；基r 切削力与切屑儿f u j 之问的经验式系，用数值积分方法建立了球头铣刀三分颦铣 削力模型；在径向来变形切屑厚度公式的推导中，考虑了刀具进给运动的二维特点；在铣削 力系数模刑中考虑r 切屑厚度变化列铣削力影响的指数关系和铣刀球头部分彳：同位置切削微 元的切削条件不同的特点。实验证明，该仿真方法是正确、可靠的。 根据反算山的、r 精加】：余昔分布和精加 曲面模型，建立精加【前，即半精加l ：曲面 的模，h 是曾切削力余量模犁构造中的一个重要环节。本文的研究表明，这是一个与计算儿何 中的曲面拟合问题、反向j ：稃中的曲面建模问题相类似，而义具有自身特点的问题。为此， 本文对曲面表示、曲面拟合以及反向l ：程中的曲面建模技术进行了详细的总结和1 分析。在此 基础上，提出并论述了等切削力余餐模型构造中半精加工曲面建模问题的两种解决方案。 在上述理论研究雨j 开发 ：作的基础上，本文在u gi i 平台上建立了一个构造曲面产品等 切削力余量模型的原型系统c c f a m c s ，并通过实例具体说明了应用c c f a m c s 构造曲面产 品的等切削力余量模型的方法和过程。 本文对等切削力余量模型方法进行了实验研究。实验结果表明该方法可以有效地用丁曲 面精加i ：过程切削负载的控制。， 最后，本文对所提出的两种切削负载白适应策略的关系进行了论述。指出，除了根据 曲面加1 _ = 要求侧重点的不同分别选用种自适应策略外，还可把两种白适应策略结合起来 使埔。 关键词：曲面加主自适应策略自适应曲面插补器等切削j 搽量模型切削舅建 模与仿真曲面建模 n r e s e a r c ho nn e w s t r a t e g i e sa n dk e y t e c h n o l o g i e s f o r s u r f a c e c u t t i n g f o r c e a d a p t i v em a c h i n i n g a b s t r a c t s u r f a c em a c h i n i n gi sv e r yi m p o r t a n ti nt h em a n u f a c t u r i n go fm o u l d s ，m o t o r s 。p l a l l e s ，s h i p sa n d p o w e re q u i p m e n t s i ti sa l s oo n eo f t h em a i nr e s e a r c ha n d 印p l i c a t i o no b j e c t so fn ct e c h n j q u ea n d c a d c a m w i t ht h e i n c r e a s i n g l yc r u d eo ft h ec o m p e t i t j o n i nt h ew o r l d ，h i 曲s p e e da 1 1 dh i 曲一 p r e c i s i o ns u r f k em a c h i n i n gh a sb e e ns t r i n g e n td e m a n d o fm a n u f a c t u n gi n d u s t i yt or e a l i z eh i 曲。 s p e e da n dh j g h - p r e c j s i o ns u r f - a c em a c h i n i n 舀c u 砸n g f o r c ej nm a c h j n j n gp r o c e s sm u s tb ee 疗爸c “v e l y c o n t m l l e dw h a t sm o r e ，i tc a na l s oi m p r o v em a c h n i n ge m c i e n c ya n dm a c h i n i n gq 吲i t yo fs u r f a c e p r o d u c t st oh a v ec u n i n gf o r c ea d a p t i v e l yc o m r o l l e d t h e r e f o r e ，i t i so f g r e a ts i g n 讯c a n c ei nt h e o r y a n di np r a c i c et os t u d y0 ns 仃a t e g i e sa n da l g o r i t h m sf o ra d 卵t i v ec u n i n gf b r c ec o n d l i nt h ep m c e s s o f h i 曲- s p e e da 1 1 d h i 曲巾r e c i s i o ns u r f a c em a c h i n i n g h a v i n gm a d eas u r v e yo fs u r f h c ei n t e r p o l a t i o n ，a d 印t i v ec o n n u lo fm a c h i n i n gp r o c e s s a n d a d a p t i v em e t h o db a s e do nm a c h j n i f 培p r o c e s ss i m u l a t i o nt e c h n i q u e ，t h ed i s s e r t a t i o np o i n t so u tt h a t a l m o u g hr e a l t i m es u r f a c ei m e r p 0 1 a t i o no v e r c o m e st h ed e f e c t so ft r a d i t i o n a ls u r f b c em a c h in j n g p a n e m ，n o 印p r o p r i a t ea d a p t i v ec l m i n gf o r c ec o n t m lm e t h o dc a nb eu s e dt ot h em a c h i n i n gp m c e s s o fr e a l - t i m es u r f a c ei n t e r p o l a t i o n i na l i u s i o nt ot h j sp r o b l e m ，t h ea d a p t i v es t r a t e g yb a s e do nr e a l - t i m es u r f a c ei n t e r p 0 1 a t i o na l g o r i m mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e lt h a ti s ，t od e v e l o pa d a p t i v es u r f a c e j n t e r p o l a t o rb ya d d i n gas o f t w a 忙m o d u l eo fo n l i n em a c h i n i n gc o n d i t i o ns i m u l a t i o na 1 1 df e e dr a t e a d 印t i v ed i s p o s i n g t or e a i - t i m es u r f a c ei n t e r p o i a t i o n8 y s t e m t h ed e m a n da n dc h 甜a c t e r i s t i co fo n - l i n em a c h i n j n gc o n d i t i o ns i m u i a t i o ni nt h ea d a p t i v e s u r f a c ei n t e r p o l a t o ri sa n a l y z e di nt h ep a p e la n dt h e na ni m p r o v e da v e r a g ec u t t i n gf o r c em o d e lo f 3 咀x i sb a l l e n dm i l l i n ga 1 1 ds i m u l a t i o na l g o r i t h mb a s e do nz - m a pm e t h o df o ri ti sp u tf o n v a r d o n t h eb a s i so f t h i s ，t h em o d u l es t r u c t i 】r eo fr e a l t i m es u r f k ei m e r p o l a t i o ns y s t e mw 砒、a d a p t i v ec u n i n g f o r c ec o n t r o lf u n c t i o ni sp u tf o n v a r d a n dt h ep r i n c i p l e sa 1 1 da l g o r i t h m so f a d a p t i v ec a l c u l a t i o na 1 1 d s m o o t hc o n t r o lo f f e e dr a t ea r ed i s s e r t a t e di nd e t a i l o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a ls t u d yo nr e a l t i m es u r f a c ea d a p t i v ei n t e l - p o l a t o n “g o r i t h m ，s u r f a c e c n cd i r e c tm a c h i n i n gs y s t e mw i t ha d a p t i v ec u n i n gf o r c ec o n t r o lf u n c t i o ni sd e s i g n e da 1 1 ds t u d i e d t h eh a r d w a r es t r u c t u r e ，s o f t w a r es t r u c t u r e ，a n dt a s kd i v j s i o no f t h es y s t e ma r eb r o u 曲tf o 九v a r d t h e p r i n c i p l ea n dn l n n i n gp r o c e s so f t h es y s t e ma r ed i s c u s s e d t h eg o a lo fs u r f k e 行n j s hc u n i n gj st og e tb o t hh i g hd i m e n s i o n a la c c u r a c ya n dh i g hs u r f a c e a c c u r a c yc u r r e n tc u n i n gf o r c ea d 印t i v es 仃a t e g i e s ，i n c l u d j n ga d 印t i v ec o n t r o lo fm a c h n gp m c e s s ， n cp r o 斟啪o p t i m i z a t i o nb a s e do n m i l l i n gp r o c e s s s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y ，a d a p t i v es u r f a c e i n t e r p o l a t o a n dd e l i b e r a t e j yp m g r a m m i n g ，a r ee i t h e rd i s a d v a m a g e o u st os u r f a c en n i s ho rd i 筋c u l t i or e a l i z e ，w h e na p p l i e dt os u r f h c en n i s hc u n i n gp r o c e s s i na 1 1 u s i o nt ot h i sp r o b l e m ，an e wc u n i n g f o r c ea d a p t i v es t r a t e g yf o rs u r f a c en n i s hc u m n g ，n a m e dc o n s t a n tc u t t i n gf o r c ea l i o w a n c em o d e l m e t h o d ，i sp u tf b n v a r di nt h ep 印e lt h es l r a t e g yi ss i m p l e ，f e a s i b l ea 1 1 de a s yt or e a l i z e c u n i n gf o r c e s i m u i a 廿o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h e k e yt e c h n i q u e s f o rt h ec o n s t r u c t i o no f i c o n s t a n tc u n j n gf o r c ea i l o w a n c em o d e l t a k i n g3 咀x i sb a l l e n dm i l l j n gp r o c e s sa sa ne x 枷p l e ，t h e t o p i c i ss t u d i e di n d e p i h a 3 _ a x i sb a l l - e n d m i l l i “gp r o c e s ss i m u l a t i o ns y s t e m f o ra u t o m a t i c p r e d i c t i o no fc u n i n gf o r c ei sd e v e l o p e d t h eg e o m e t r yo f t h ew o f k p i e c e ，t h ec u 牡e la n dt h ec u t t e r s w e e ps o l j da r em o d e l e du s i n gag e o m e t r i cs i m u l a t i o ns y s t e m t h i sm o d u l eu s e sac o m m e r c i a ls o l i d m o d e l e r ( u g ) a sag e o m e 州ce n g j n ea n da c c u r a t ej ye x c r a c c st j l ec h j pg e o m e t r yf o rg e n e r a i3 - a x j s b a l l - e n dm i n go p e r a t i o n s ，i nt h ef o r mo fi n - c u ts e g m e n t so f t h ee n g a g e de d g e sa n dt h eu n d e f o n n e d r a d i a lc h i pth j c k n e s sd i s t r i b u t i o nu n d e rt h r e e - d i m e n s i o n a lc u n e rf e e dm o t j o no nt h eb a s i so ft h e e m p c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e n c u n l n gf o r c e sa n d t h eu n d e f o m l e d c h i pg e o m e t r y ，at h r e e c o m p o n e n t f o r c em o d e li s d e v e l o p e dt o c a l c u l a t ei n s t a n t a n e o u sb a l l e n d m i l l i n gc u t t i n gf o r c e sb yn u m e r i c a l i n t e g r a t i o nm e t h o dt h ei n n u e n c eo fe x p o n e m i a lr e l a t i o n s h i po fc h i pt h i c k n e s sv a r i a t i o no nc u t t i n g f o r c ea n dt h ec u n i n ga c t f o nv a r i a t i o na i o n gt h ec 删i n ge d g ea r ec o n s i d e r e df nt h ec u t t i n gc o e 币c i e n t m o d e l t h ea p p l j c a b i l i t yo ft h ed e v e l o p e d s y s t e mh a sb e e nd e m o n s t r a t e db yb a l l e n dm i l l i n g e x p e r i m e n t a l t e s t s s e m i - n n i s hs u r f a c em o d e l i n gi sa ni m p o n a n tp m c e d u r eo ft h ec o n s t r u c t i o no fc o n s t a r i tc u n i n g f o r c ea l l o w a n c em o d e l i ti si n d i c a t e dt h a tt | l ep r o b l e mi ss i m i l a rt o1 h ep r o b l e m so fs u r f k en n i n g a n ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o ni nt h er e v e r s e e n g i n e e n g t h e r e f o r e ，t h et e c h n o l o g i e s o fs u r f 砬e r e p r e s e n t a t i o n ，s u r f a c ef i t t i n g 锄ds u r l h c em o d e l i n gj nt h er e v e r s ee n g i n e e “n ga r er e v i e w e di nt h e p a p e la n dt h e n ，t w os c h e m e s f o rs e m i - 行n i s hs u h c e m o d e l i n g a r ep u tf o n v a r d a c c o r d i n g t ot h et h e o r e t i c a ls t u d i e ss t a t e d a b o v e ，t h ec c f a m c sp m t o t y p es y s t e m i s e s t a b l i s h e db a s e do nu gi i t h es y s t e mh a st h ec a p a b i l i t yo f c o n s t r u c t i n gt h ec o n s t a n tc u n i n gf o r c e a l l o w a n c em o d e io fs u r f a c ep r o d u c t s t bi l l u s t r a t et h em e t h o da n dp r o c e d u r e so fc o n s t r u c t i o nt h e m o d e l ，t w oe x a i t l p l e sa r eg i v e ni nt h ep a p e l e 。p e r i m e n t a ls t u d yo nc o n s t a l l tc u n i n gf o r c ea l l o w 肌c em o d e lm e t h o di sa l s oc o n d u c t e di nt h e p a p e la n d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l th a sp m v e dt h ee 丘b c t i v e n e s so f t h em e t h o d a tl a s t ，t h er e l a t i o n s h i po f t h et w oa d a p t i v es t r a t e g i e sp m p o s e di nt h ed i s s e n “o nj sd i s c u s s e d i ti s p o i n t e do u tt h a tt h et 、v os n 吼e g i e sc a nn o to n l yb ea d o p t e di n d i v i d u a l l y ，b u ta l s ob eu s e d t o g e t h e l k 。y w 。d 3 ：s u r f k 。m a c h i n i n g ，a d 印t i ”。8 t r a t e g y ，a d 印t i 7 。5 “m 忙。i n t e r p0 1 a t 。r ，c 。n s t a n tc 叫i n g f o r c ea l l o w a n c em o d e l ，m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n o f c u n i n gf o r c e ，s u r f a c em o d e l i n g 淘交通人学博l j 学化论义 第一章绪论 1 1 曲面插补技术及其研究现状 1 1 1 现行曲面加工模式及其存在的问题 白从1 9 5 2 年第一台数控机床在美国诞生以来，数控系统已经经历了两个阶段( 数控( n c ) 阶段、计算机数控( c n c ) 阶段) 和人代( 电子管、晶体管、小规模集成电路、小犁计算机、 微处理器、基rp c ( p c 。b a s e d l ) 的发展1 ”。然而，c n c 系统发展至今，其主要轨迹控制功 能仍为直线插补和圆弧插补。随着c n c 数据处理能力的提高，些c n c 系统增加了一些特 殊曲线的处理功能，如f a n u c1 5 m 等增加了渐开线、极坐标、圆柱插补等二维功能，扩充 了二次样条曲线插补等三维功能【2 4 】。s j n u m e r i k8 4 0 d 可实现样条插补，并有多种校正及补偿 功能【5j 。s j e m e n s8 8 0 m 上则具有专供本国使_ l j 的五维样条曲线功能。日本学者也提出了将三 次样条曲线作为g 0 6 标准功能的提议”】。美国在9 0 年代的n o c 计划f n e x t g e n e r a t i o n c o n t m l l e r ) 中，也将样条曲线插补作为主要功能指标之一【6 】。 在曲线实时插补算法方面，近年来也有不少研究。k o r e n 【“6 j 提山了一个标准抛物线插补 器；s a i a 1 开发了一个三次b e z i e r 曲线插补器，它实质上可插补任何二次函数，采h j 二阶b e z i e r 曲线也可插补一般抛物线；s t a d e l m a l l n 【4 1 提出了一个满足给定速度曲线要求的复杂空间曲线插 补器，其相邻段的过渡是连续的，但该插补器不能保证所有插补点均在曲线段上；c h o u 和 y a n g 9 ，”0 1 提出了一个用于参数曲线的精确离线插补器，h u a n g 和y a n 一”1 1 在此基础上开发了 一个实时版本，采用e u l e r 方法解决了参数表达形式的曲线插补问题；sb e d i 口1 给出了一个样 条曲线插补器；m s h p i t a l n i 【8 l 研究了任意隐式曲线和参数曲线的实时插补算法，针对该算法 在精度和计算效率上的缺点，c c l o l 9 1 又提山了一个改进算法；d c h y a n g 和t k o n 2 2 1 给5 了三次参数曲线的插补算法，并对比研究了曲线加t 时参数插补与直线插补方法在存储 繁、进给速度波动量、伺服跟踪误差、冲击幅度以及c p u 时间等方面的筹别；华中理】：入学 在基于i ：业p c 的c n c 上实现了样条插补功能；文献【1 0 】构造了c n c 系统中实现n u r b s 曲 线插补的快速算法。此外，还有不少学者对曲线插补的各种方法进行了研究”2 3 。”。 在刀具补偿功能方面，较好的是f a n u c 的c 刀补。在乎面直线、圆弧加i 时能一动计 算等距刀位和进行初步干涉检验。但干涉检验是假定程序段有充分的长度，过小时也难以保 证加j 不干涉。在三维补偿上，f a n u c1 1 1 2 门5 和f i d i a1 2c n c 采_ ； 在原零件 擎序段上再附 加法欠信息的方法，其代价是零什程序增加一倍以上l l ”。对五轴加】：，由丁信息有限，至多 只能实现刀具k = 度方向上而不可能是在轮廓方向上的加j 一补偿”“。 州样条等曲线插补来进行自由曲面加r 。时，由于输入的仅为“线”的信息，无法实现二 维刀具、余鼍补偿。同时，曲面加j ：的刀具轨迹也不可能用二次曲线来精确表达，如对刀具 偏置进行二次拟合，其逼近误差即使在二维情况时也难以确定【l “”。故样条曲线等功能枉曲 面加j 。中的实_ l 价值有限。 5 ；丁曲线插补并不能对曲面加j ：产生实质性的效果和现行c n c 的轨迹控制能力- 彳限， 现 j 曲面加i 荩本上是先借助c a m 编稃生成由小直线倒弧段构成的零什程序( n c 代码) 第一章绪| 肝，t f j _ 由c n c 进行直线噱l 弧插补加：米完成的。现行曲面加i ：模式如图1 1 所示。 图1 1 现行曲面加工模式岬1 f i g u r e l 1c u r r e n t s u r f a c em a c h i n j n gm o d e 随着世界范围内市场竞争的日益加剧，迅速提高曲面产品的加j 速度和加i 精度，实现 高速高精度的曲面加i ：，成为制造业的迫切要求。但现行的曲面加i ：模式在进行高速高精 度加i ：时存在一些难以解决的问题： ( 1 ) 精加工程序过于庞大，使用困难。 曲面精加r 时，由丁- 存在机床伺服误差、刀具丁艺系统误差、编程数据处理误差及 c n c 插补误差，c a m 编程的允许误差很小，一般只有零件允著的1 5 l 】0 f 1 ”。这意味着 要实现o 0 2 m m 的加工精度，编科中的逼近误差只能达到o 0 0 2 0 0 0 4 m m ，冈此逼近步长 很小。此外要保让型面光整，要求行间残余高度很小，导致零什程序非常庞人。这不仅 给c a d c a m 系统造成极大时间、存贮和通讯上的负担，而且校验、使用和保存都极为 1 i 便，需要火墙的辅助时间平| 花费。 ( 2 ) 难以真正实现高速高精度。 由rc n c 输入的仅是离散直线和圆弧，缺乏具体的形状信息，在高速运行时，除繁 重的代码传输、解释任务外，还需提前预测轨迹形状来实现高速进给时的速度平滑过渡， 防r 刀具轨迹偏移平避免高速f 的突发事故，这需要极人的计算_ 】：作量。目前，烈3 2 位 c p u 的f a n u cl5 m 只能达到预测1 5 段，而6 4 侮r i s c 的g e f 15 m 也只能达到6 0 段， 当程序步长过小时，仍难以实现高速轮廓拐角的提前减速问题。为此，t 【_ j 丁高速加1 的 c n c 需要高速轮廓控制的专心软件，以对机床的动态进行预报雨i 补偿，l e b l o n dm a k i n o 将 其称为“s u p e rg e o m e t r i ci n t e l l i g e n c e ”，其特征是在c n c 上加一个人的硬驱动，以极高 波特率的数据传输帮助处理程序排除远距离缓冲寄存器”“”。 在加精度方面，尽管高分辨率伺服单元使得数控系统的定位精度越来越高，但曲 面加1 i 的精度不仅依赖丁直线插补的侮置控制精度，更取决丁零件程序对曲面的逼近精 度。而精确的逼近将导致程序量急剧增加，难以一次装入c n c 系统的内存冈而高档数 控系统和i 曲面加1 。中不能充分发挥其优势。而采d n c 则不仅使系统成本剧增，而且对 通信速度和可靠性都提j u _ 厂很高要求，一口j 传输速度低丁c n c 数据处理速度，便会产t 加1 停顿。若二坐标加f ? 平均程序段为l m m ，要达到3 0 m ，m i n 的进给速度其d n c 通信 2 海交通人学博1 j 学化论文 速度须在1 0 0 b p s 以上，为此国外高档系统均采用光缆传送以保证述度利可靠性”1 。 此外，f f ir 零什稃序中的每一离散直线圆弧段往实际加i 时都要经过加速( 启动) 和减速( 停i r ) 过程，曲面离散精度和加j 速度是一对且相矛盾的要求。离散精度高， 搿剑的小线段短，将使实际加l 的平均进给速度人人低丁编程进给速度，甚至实际进给 速度从术达剑编程速度，从而显著增加切削时间，降低了生产率同时，频繁的加减速 也降低了曲面的表面质量。反之，减少离散线段的数量，虽提高了平均进给速度，但低 的逼近精度将使轮廓的理论加】：精度降低，一阶不连续性使表面质量恶化，后续处理】： 作耸加人，整体效率f 降”j 。 ( 3 ) c n c 上无法实现三维刀具及余量补偿，不便于操作者在线干预加工过程。 零什程序是据给定的刀具和_ i 艺数据如残余高度、加j 余量等由外部的c a m 生成， 刀具尺寸变化或加】余量的改变将使原有程序无法使用，需重新编程。同时由丁二不能实 现三维刀具补偿，在曲面加j ：特别是一些模具型面、叶片类零件的加工时，由丁零件表 面硬度高，刀具磨损快，需要各_ l f 多把刀具。虽然可以象f i d i a1 2c n c 那样采_ l f j 附加法 久信息来实现球头刀补偿，但程序茸要增加一倍以上”4 】【”】，使本已巨莓的程序雪上加霜。 此外，由丁n c 代码由外部编程产生，在多轴加工情况下，为保证加j ：状态与编程状态 的一致，往往需要进行费时的刀具与工件的安装调整”。 ( 4 ) c n c 上难以对加工过程中工艺系统误差( 如机床、夹具、刀具的几何误差与力、 热变形) 进行补偿。 由丁n c 代码中的各坐标轴运动位置是在一定的i ：艺系统状态r 由被加】：曲面零什的 几何模型及曲面一刀具啮合关系求解得到的，当工艺系统状态改变时，各坐标轴的位置将 因n c 代码中缺少曲面零件的儿何信息及曲面一刀具啮合关系而无法获得，因而即使在 艺系统误差模型与数据已知的情况下也无法实现加j ：误差的补偿。】：艺系统误差是影响加 ：精度的最重要因素，随着加工精度要求的不断提高及智能制造等技术的发展，工艺系统 误差补偿( 包括刀具磨损补偿) 将成为现实需要，然而，基于现有的n c 代码加1 ：方式将 无法满足这一要求i l ”】。 ( 5 ) 冗余环节多，可靠性低。 按现行加 模式进行曲面加【，整个过程冗余环竹多，不仅需耗费大量的人j ：和机 时，i f t 州较多的软硬件资源，而且需对人量数据进行多次编码、解码、传递、存储和处 理，人人增加了山错的概率，对数控加l ：的可靠性造成不利影响口。 鉴丁以上原冈，曲面零件的加：通常采t l j 数控加l = 和手j ：精整相结合的方式进行， 数控机床在曲面加丁中仅用来粗成型。手j ：精整不但大夫降低了生产效率，也难以保证 璎面精度，冈为手 打磨不象机床上编程的刀具轨迹那样得到控制。 1 1 2 基于曲面插补的新型曲面加工模式 现行曲面加l ：模式存在的问题，究其原冈是由丁- c n c 系统轨迹控制能力不强，过分 依赖数控编程。冈此解决问题的根本方法是将数控编程的某些功能融入剑c n c 中，作为 c n c 的刊有功能，提高c n c 系统的轨迹控制能力，具体来说就是使c n c 具有“面”级 轨迹插补能力6 1 。现行c n c 系统的高速数据处理能力使曲面插补成为可能。基十曲面 第一辛绪沦 c n c 实时捅补的新型曲面加i 模式f 川幽1 2 表示。 口背拄划 机床 图1 2基于曲面实时插补的新型曲面加工模式”1 8 】 f i g u r e l 2n e w s u r f a c em a c h i n i n gm o d eb a s e do nr e a l - t i m es u r f a c ei n t e r p o l a t i o n 这种曲面加l + 模式由于c n c 自身具有曲面插补功能而使输入的信息大为简化，只是零 件的原始儿何定义、加 i 一艺数据及刀具参数。同时曲面插补由于具有面的信息而能够进行 二维刀具形状尺寸补偿利加t ：余量凋整等，克服了现行曲面加 ：模式的不足，可以经济地实 现曲面零件的高速高精度加i 。 1 1 3 曲面插补技术的研究现状 鉴丁曲面c n c 商接插补加1 一所具有的巨大优势和潜力，曲面插补技术受到了许多国内 外学者的关注。国外一些研究机构于八十年代枷便展开了对曲面插补的研究和探讨， 日本、法国、瑞士、加拿大和美国等国家还实现了样机或仿真系统。由于初期研究 的重点放在改进系统硬件设施和结构上，所以未能取得突破性进展。近几年来，加 拿大的s b e d i 和美围的yd c h e n 等学者开始从插补理论与算法方面探讨曲面实时 插补问题。 日本丰桥利技人学与北海道人学等丁1 9 8 7 年研制了具有曲面实时插补功能的三坐标曲 面加1 系统，1 9 9 3 年发展成为由p c 外加1 5 个t r a l l s p u t e rr 1 s c 处理器的仿真系统。其方法 是在加目对零引曲面的刀具偏置面进行二次拟合，往该面上进行平面行切加1 ：。对刀具偏 置面进行拟合可以减少插补计算量，但存在不可预知的拟合误差【1 7 。 瑞十苏黎世人学( e t h ) 与f i d e s 、a t e k 和r i 舀d 公司联合研制了o z e i o t 系统。该系统采_ l j 小l g 机和高速浮点器阵列，可对b e z i e r 曲面进行直接加j ：，输入c n c 的是b e z i e r 曲面定义 和走刀轨迹边界点，c n c 在参数方向上行切走刀，编利时只需计算纽台边界，进行分片加j 。 从有关资料来看，该系统不能自动处理加= 行距，行距必须由外部编程确定，走刀也仅限丁 参数方向，且进给按曲面逼近误芹方式进行，没有考虑刀具运动的1 i 线性误芹，同时，没有 考虑刀具干涉，其实h j 价值有限】【2 ”。 为了进一步考虑刀具干涉问题，二菱电机的加藤清敬等研究了采h j 人规模卉j 处理来解 决实时刀i 干涉修止的可能性。其方法是将刀具运动在x y 平面上进行投影分割，没置缓冲 器# 坐标轴方向行切进给，实现无干涉的二坐标加l ：运动轨迹计算，f 研制了具有8 个 4 薰 卷 渤交通人学博j 学位论义 6 8 0 2 0 + 6 8 8 8 1 的3 2f t 处理器和协处理器的实验系统。在研究了该方法的数值计赞量后，加藤 清敬得f i i 的结论是：对丁四张可能下涉的b e z i e r 曲面，若刀具利零什面的展小曲率、r 径为 5 m m ，实现4 0 u m 干涉误筹和5 m s 的运算时间时，需要多达2 0 0 0 台6 8 0 2 0 + 6 8 88 1 的升行i j 作才能完成口”。采2 0 0 0 台处理器来构成c n c 显然不现实，但目前最新的硬仆处理速度可 达6 8 0 2 0 + 6 8 8 8 1 的儿卣、儿千倍，采_ 【_ f j 儿台这样的处理器构成c n c 则是可行的。 s b e d i 丁1 9 9 3 年研制了一个具有样条曲面三轴联动实时插补功能的c n c 系统。该系统 的曲线曲面插补器包括租插补和精插补两个过程。粗插补即用直线逼近轨迹曲线，精插补则 是由系统插补器据进给速度和插补周期来插补直线段。系统采用平面行切的刀具投影法米检 夯干涉。为了处理初始刀何计算、干涉检亢利插补带来的巨大计算餐，s b e d 采_ l j 具有八个 计行处理器( t r a n s p u t e r ) 的网络来并行处理计算任务。该控制器仅能处理_ 二阶连续的单张曲 面球头刀加工，对丁组合曲面由于计算茸太大而无法实现。s b e d i 寄希望于采用处理能力更 强的并行处理器来解决组合曲面的加工问题口。 yd c h e n 提出的曲面加t 轨迹实时生成算法可以实时处理干涉、白适应步长计算等， 完成对i g e s 曲面的直接加j ：。算法在基丁多总线( m u l t i b u si i ) 的c n c 控制器上实现，驻 留于一个8 0 3 8 6 芯片中。其算法包括以f 几个步骤：( 1 ) 选择行切平面；( 2 ) 将行切平而与 原曲面的等距面相交，求得交线在参数空间的值；( 3 ) ( 对组合曲面) 通过排序，填补边界 裂缝和边界干涉处理将所得交线连成一条完整的轨迹；( 4 ) 将刀位轨迹通过总线传递给运动 处理器；( 5 ) 据行间残留高度计算f 一行切面位置。刀何轨迹也是采_ l j 弦高误差逼近，冈此 其插补过程类似于s b e d i 的系统。yd c h e n 的方法必须整条行切轨迹一起产生，当相邻两 行轨迹长度相著较大时，可能要等待口”。 yk o r e n 于1 9 9 5 年研制了一个