【五轴数控加工关键技术探究6000字（论文）】

前言刀位优化技术制定就是对刀具进行定位的一项技术，主要就是围绕曲面为主体，在其上面找出可进行优化的点完成优化刀具姿态的任务。一般情况下，干涉检查分为两种类型，一是局部干涉，主要指的就当刀具切入工件表面时，所产生的过切现象；二是全局干涉，指的就是是指刀具所有的部位，与工件等发生的碰撞的行为。在进行刀轨光顺技术研究时，必须要从两方面进行考虑，即一是与机床相关的运动学；二是与动力学相关的特性，只有综合这两个因素，才能够提高刀轨的顺滑度，达到机床高速运行的目的。刀具优化技术是指通过分析工件曲面的几何信息对刀具尺寸及母线形状进行优化，以实现避免过切和提高加工效率的技术。2刀轨规划技术2.1刀轨拓扑规划2.1.1等参数线法等参数线法[1]是刀轨规划最常用的方法，主要原理就是利用曲面某个方向的所产生的等参数线为核心驱动刀轨运行，刀轨进行排列的方向可参考图1。两行刀轨之间的距离取决于曲面的曲率分布、刀具尺寸及姿态和加工公差。为避免两行刀轨之间出现残留高度大于公差的现象，两个相邻的刀轨会以公差带内的切削区为基础运行，并顺着驱动线方向进行重叠，这种运行方式会出现多次重复切削，以致于无法提高加工效率，保障不了工件表面所残留高度的均匀性[2]。另外，等参数线法在组合曲面的加工中的应用比较受到限制。图1等参数线刀轨示意图2.1.2等截面线法等截面线法[3]的大体思路就是利用一部分平面和工件曲面为基础，将二者进行相交，从而产生对应的交线，刀具利用这一交线运行就形成了相关的加工刀轨，图2为等截面线法的示意图。KonobrytskyiD等[4]提出了自适应截面法，利用等光照法将待加工曲面进行分区加工，从而减少重复切削，但生成的刀轨比较分散，空行程较多。与等参数线法相比，等截面线法可以用来加工组合曲面或者三角网格曲面。图2等截面线法刀轨2.1.3环切加工法环切加工刀轨通常都是以投影法作为生成的方法，其主要的工作原理就是：首先在一个指定的平面内产生投影区域，从而计划出刀具运行的轨道，接着再把操作刀具运行的轨迹进行投影，这次投影的位置在工件曲面上，最后结合投影显示的轨迹结合检查干涉的方法修复刀轨，具体可参考图3。环切刀轨通常会使用在CAM软件上，其主要原因就是刀具运行时的轨迹不会出现断裂，进行负载时的稳定性高，虽然优势较多，但这种方法也会存在一定的缺陷，譬如计算时的工作量较大。环切刀轨一般都会呈现出螺旋线的状态，各环形刀轨之间不会出现连接，独立的向中心位置的邻接刀轨接近。图3环切加工刀轨2.1.4填充曲线法随着科技的发展，以空间填充类型的曲线作为加工刀具轨迹这方面的研究越来越多，这是因为填充曲线法得到的刀轨有非常好的连续性，整个切削过程没有空行程，还缩短了刀具轨迹的总长度，如图4所示。虽然填充曲线方法已经在不同的领域内开始应用，比如自动抛光[5]和形状表达，但由于刀轨计算的复杂性、切削方向的频繁变化、以及引起的机床动态问题，该方法在复杂曲面的五轴数控中尚未广泛应用。图4填充曲线刀轨2.1.5等残留高度法等残留高度法[6]是通过控制曲面上相邻两行刀轨的间距使在衔接处的残留高度始终保持一致的方法，可以降低切削的工作量。虽然使用这种方法对减小刀轨所需要的总长度有帮助，但在进行计算时所产生的工作量却很大，而且往往距离初始刀轨越远，刀轨形状的畸变越严重，如图5所示。图5等残留高度刀轨示意图若保持残留高度不变，可以发现在凹区域的行距大于在凸区域的行距。利用该结论，Giri等[7]建议沿着最凸（最不凹）的曲率方向选择等残留刀轨的初始刀轨。王中州[8]等在多点法的基础上提出了双切触点迹线驱动刀轨规划算法，使刀具在每行刀轨上沿着两条等参数线滑动，即每个刀位都有两个切触点且左右切触点分别落在一条等参数线上，该方法规划的相邻刀轨在切触点处衔接，实现了零残留高度的平滑过渡。2.2走刀步长计算当以曲面作为加工的类型时，机床会做线性插补运动，这种现象通常会出现在前后相邻的两个刀位中间，因此在这两个刀位之间必然会产生加工误差，所以在生成刀轨的过程中必须严格控制走刀步长以控制线性插补误差不超过给定的加工公差。一般用圆弧逼近法来计算走刀步长[9]，即根据被加工曲面在当前点处沿走刀方向的法曲率半径和设定的线性逼近误差可以计算出走刀步长。QinJY等[10]同时考虑了刀具、刀轨、曲面局部几何和机床运动空间，用来更加准确地估计加工误差，从而确定走刀步长。2.3加工行宽与行距计算在加工过程中，刀具顺序通过工件曲面上的一个个刀位点，在每一个刀位点处，刀具位于工件曲面和加工公差偏置面之间的部分形成了已加工表面，刀具像印章一样在已加工表面留下了一个印痕，如图6所示。当然，当前刀位留下的印痕可能会有一部分被前后相邻的刀位以及左右相邻刀轨上对应的刀位切掉。根据以上分析，在工件曲面的刀位点处存在一个有效加工区域，这个区域就是就是刀具工件曲面上所产生的投影区域，主要依靠已加工表面作为介质进行不停运动所产生的，加工行宽指的就是刀具以投影区域为范围，垂直作用在同一方向的长度的最高值，可参考图7。图6关于刀具在工件表面和偏置面之间的印痕的对比图图7关于有效加工区域和加工行宽的详情展示图行距指的就是两个相邻刀轨和对应刀位点这二者之间所产生的距离。通常情况下，刀具在生成下一行刀轨时，会使用等距偏置的方法，换而言之，当两行相邻的刀轨和应刀位点所产生的的距离相同时，这个时候的行距反映的就是以刀轨和所有刀位点为基础计算行距，此时行距最小[11]。行距也可以等量函数的形式出现，通常在计算时会考虑三方面的因素：即一是曲面的局部曲率所拥有的半径；二是刀具自身的半径；三是刀具运行所产生残留的高度。即确定了刀具自身的半径和其残留的高度，就可以依靠工件曲面的局部曲率计算出行距。3刀位优化技术Sturz算法[12]是最简单的五轴刀位算法,也被称为刀轴倾斜法。在工件曲面的切触点处，刀具的刀轴矢量相对于该点的法矢量倾斜某一个角度，即Sturz角，如图8所示，一般情况下Sturz角的合理范围在3°~6°之间。若Sturz角过小则可能导致刀具过切工件曲面；若过大则会降低加工行宽。因此，可以通过检测刀具和工件曲面之间的干涉情况寻找一个最小可行的Sturz角[13]。图8Sturz算法定位原理曲率匹配算法[14]是在切触点处使刀具的有效切削轮廓或者包络截形线的曲率半径接近或等于工件曲面截形线曲率半径的一种算法，如图9（a）所示。该方法主要就是以曲面在法截面内的所产生的曲率信息为基础分析出刀具的加工行宽，也就是说如果刀具和曲面这二者在相互作用时，所产的贴合程度达到一定的标准，就可以得到更大的加工行宽。Lazoglu,Y等[15]在进行研究时，主要的研究方向就是曲面的最小主曲率，研究结果显示，如果以曲面的最小主曲率为刀具运行的方向，当达到一定的值时就可以计算出更大的加工行宽，当出现这种情况时，曲率匹配算法也就类似于主曲率匹配算法，具体可以参考图9（b）。曲率匹配算法虽然可以计算一定区域内刀具和曲面二者之间的所进行接触发生的相关情况，但却对刀具其他部分和工件曲面的无法进行干涉。(a)以曲率匹配算法为主的刀具定位参考图(b)以主曲率匹配算法为主的刀具定位参考图图9关于基于曲率匹配的刀具定位的对比详情图密切曲率法[16]指的就是当刀具处于一定的切触点时，刀具自身的包络面和被加工表面二者，将在法截面中产生垂直的作用力，三者会形成到一种三阶密切的关联，如图10所示，可以说是曲率匹配算法的进一步深化。闵莉等[17]将密切曲率法进行了推广，使之可以适用于任意回转面刀具的数控加工刀位计算，并推导了圆环刀端铣加工、圆柱刀和锥形刀具侧铣加工自由曲面的密切曲率法的计算公式。利用密切曲率法对刀具进行定位时，会使用到两方面的内容，即一是曲面的曲率信息，二是曲面曲率在定位的所产生的导数信息。图10密切曲率法刀具定位HeldM等[18]提出了基于两个切触点的五轴刀位优化算法，即多点法（MPM算法），这两个切触点近似对称分布在以曲面最小主曲率为核心的两个不同方向上，定点的方式就首先确定一个切触点的位置，接着在利用一个速度的距离进行迭代搜索，在搜索时需要沿着最大主曲率方向进行，继而就可以得到第二个切触点，可参考图11。使用这种算法时虽然得到的加工行宽范围较大，可是基于两个切触点之间的距离相对来说是固定的，所以这二者之间会出现欠切的位置，如果二者之间的距离不是一个固定值，那么计算的工作量就会增加，刀具也会出现干涉[19]。图11关于多点法定位原理详情展示图Hermite算法是Starrag进行双切触点定位算法研究后所得出的一种算法，可参考图图12。这种算法规定了最大欠切误差的范围，以加工行宽为基础结合Hermite插值原理进行计算，从而一定程度上减少欠切误差，甚至可能达到消除欠切的程度[20]。Hermite算法在计算时，为了使刀位的效率更加合理，所以运用了两种方法进行加强计算，即一是简化了相关的数学模型；二是运用插值公式。王瑞秋也结合多点法为核心，深入的研究了加工刀具和工件曲面之间的相互关系[21]，并对Hermite算法的收敛性进行了分析和改进。图12Hermite算法的刀具定位滚球法（RBM算法）[22]是Waterloo大学提出的一种简单的五轴加工刀位算法，如图13所示。对于每一个检测点，可以和切触点共同定义一个伪球面，刀具定位在和切触点切触并且能够全宽线接触加工伪球面的位置[23]。选择所有伪球中曲率最负的伪球，用该伪球面近似代替曲面区域进行加工，计算得到的对应刀具位置距离曲面最远，不会发生刀具和曲面干涉的情况。图13滚球法刀具定位原理构型空间法（C-空间法）[24]通过在每个刀位建立刀具的可行空间，并在该空间内寻找最优刀具姿态。旋转切触法首先将刀具定位在工件曲面等距面的局部坐标系中，然后优化调整刀具的后跟角和侧偏角，使刀具表面和工件曲面在不发生局部过切的前提下在最小主曲率方向两侧实现两点切触，如图14所示。这种方法不需要事先求出一个切触点，刀位优化和过切检查同时进行，但是该方法将刀心点限制在了最小主方向所在的法平面内，在曲面曲率变化较快的情况下可能会引起刀轨的波动。图14旋转切触刀位算法基本原理4刀具选择选择合适的刀具可以降低加工成本[25]。刀具选择往往依赖于工件曲面的几何形状以及工艺人员的经验。球头刀、平底刀、圆角平底刀和环面刀等属于应用比较广泛的刀具，也有锥形刀具、鼓形刀具和反环面刀具等形状比较复杂、应用于特定类型工件曲面加工的刀具[26]。么居标等[27]针对带圆角的平底刀提出了一种基于曲率匹配的自动刀具选择方法，且该方法会根据干涉情况调整刀具尺寸。这种方法本质上也是在寻找曲面的最小曲率半径，从而定义刀具尺寸。张晨亮等[28]基于刀具的可达性分析，将曲面划分为凸区域、凹区域和马鞍区域，在后两个区域采样点进行可达性检测，在所有采样点满足可达性的刀具的最大尺寸为刀具的最终尺寸。5刀轨光顺在曲面五轴加工的相关研究当中，很多学者致力于寻求最大的加工行宽和最有效的干涉避免方法，而在真正加工过程中刀具轨迹的平滑性对加工效率和加工后的工件质量影响很大，所以刀轨光顺性方面的研究越来越受到重视。徐丽娜等[29]采用四元数插值的方法，使得中间刀位的转角变化趋于均匀，从而实现刀轨光顺。宋育红[30]提出了两种可以使五轴机床旋转轴角加速度最大（即刀轨最光滑）的刀轨生成方法，一种是优化工件的安装角度，另外一种方法是优化刀具姿态角。结语近年来，在复杂曲面的数控加工方面取得了很多研究成果，这里主要讨论生成几何刀轨的关键技术，不考虑前期的曲面造型及处理技术，也不考虑后期的后置处理技术。生成几何刀轨的关键技术主要包括刀轨规划技术、刀位优化技术、干涉检查技术、刀轨光顺技术和刀具优化技术。本文对这些技术进行了深入的研究和总结，介绍了刀轨驱动的相关理论，将刀轨分为刀轨拓扑、刀位驱动点和刀轨驱动线几个要素，进行逐个分析，并且介绍了几种典型刀轨驱动方法。参考文献[1]SimonK,MH,JB,etal.Multi-objectiveOptimizationoftheTurningProcessUsinga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