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自由曲麵高性能數控加工（gōng）刀具路徑技（jì）術（shù）研究

2017-8-2 來源：中航飛機漢中航空零組件製造有（yǒu）限公司作者：柴偉平

        摘要：隨著現代製造行業的快速發展，對複雜曲麵（miàn）的應用也提出更高的要求。然而大（dà）多產品製造如手機外殼、渦輪機槳葉、汽車車身以及飛機輪廓等在運用複雜曲麵時，仍（réng）麵臨加工精度、加工效率等（děng）問題。通過實踐研究發現，將相應的刀具路（lù）徑技術引（yǐn）入其（qí）中，有利於誤差的控製與（yǔ）加工效率的提高等要求。本文將對刀具（jù）路徑技術相關概述（shù）以及刀具路徑技（jì）術的（de）具體運用進行探析。

       關鍵詞：自由曲麵刀具路徑技術應用

       機械與工藝

       作為複雜曲麵加工中的主要內容，刀具路徑規劃對整個加（jiā）工效率都會產生較大的影響。從以往刀具路（lù）徑（jìng）規劃現狀看，由於路徑不合理（lǐ）問題的存在，直接（jiē）導致加工中存在較多誤差，使曲麵表麵質量難以保證，且加工效率受（shòu）到明顯影響。在此（cǐ）背景（jǐng）下，便（biàn）要求將相關的刀具路徑技術引入其中，全麵提升自由曲麵的性能。因此，本文對（duì）刀（dāo）具路（lù）徑（jìng）技術在自由曲麵加工中的應用研究，具有十分重要的意（yì）義。

       一、刀具路徑規劃相關概述

       刀具路徑規劃，是當（dāng）前（qián）數控加（jiā）工自由曲麵中的主要問題。以往（wǎng）數（shù）控加工工作中，路徑規劃多通過數控編程實現，很難滿足現代自動編程要（yào）求。而現代數控加工中充分利用計（jì）算機技（jì）術，對於較多複雜曲麵零件加工可取得明顯效果。從其中刀具路徑（jìng）技術看，首先表（biǎo）現在以ATP 為（wéi）基礎的路徑（jìng）規劃方麵，其直接定義導動畫曲（qǔ）麵，保證通過移動路線將（jiāng）整個曲麵準確反映出來。該方（fāng）法（fǎ）實際（jì）應（yīng）用中，強調對刀具運動進行控製，盡可能（néng）使刀具與（yǔ）零件麵或（huò）與導（dǎo）動麵進（jìn）行接觸，這樣刀具能夠（gòu）在正確軌（guǐ）跡上完（wán）成運動過程。需注意的是這種方法運用下也有一定弊病存在，如在誤差控製中，要求（qiú）反複對每一刀步（bù）進行運算（suàn），其中的迭代計算不（bú）僅耗費較多時間，且迭代收斂在（zài）曲麵不規則情況下將難以實現。其次，規劃以笛卡爾坐標空間為依據。該方法運用下，主要將刀具路（lù）徑（jìng）在坐標中XY 平麵（miàn）表示出來，一般路徑呈（chéng）現的方式以平行（háng）直（zhí）線為主，在此基礎上（shàng）對（duì）直線進行投影，曲麵中投影便為刀具路徑。

      該（gāi）技術應用下（xià），可能出現刀具、零件表麵有交叉點存在，增大計算量（liàng）。最後，參（cān）數空（kōng）間規劃。對於該種方式，可細化為（wéi）參數篩選、等參數步長等。前者強調進行等參（cān）數（shù）步長的（de）預設，將零件（jiàn）對（duì）應點列推（tuī）測出來，在此基礎上以加工精（jīng）度、曲麵（miàn）曲率為依據（jù）將點位信息（xī）從點列中進行去除。整（zhěng）個過程的開展不涉（shè）及較大數據量（liàng），但也會耗費較多（duō）時間。而後一種方法應用下，會取較小的步長，以（yǐ）便於加（jiā）工精（jīng）度的提（tí）高，但由於其中步長的估計未考慮到曲麵（miàn）曲率，即使計算（suàn）較為簡便，但最（zuì）終獲取過多的點位信息，仍成為路徑（jìng）規（guī）劃的（de）主（zhǔ）要難題。綜合來看，現行刀具路徑規（guī）劃中可應用的技術（shù）較多，但都有一定的不足之處，要求采取相應的優化策略（luè）[1]。

       二、刀具（jù）路徑技（jì）術的（de）具體應用研究（jiū）

       數控加工過程中，對於刀具路徑多細化為不同的（de）直線段，可將（jiāng）這種方式叫做直（zhí）線插補。盡管其應用中，表現出計算便捷、表達簡單等（děng）優勢，但其中存（cún）在的缺點也不容忽（hū）視（shì），如曲麵加（jiā）工精度較高情況下，由於加工工序中的（de）微（wēi）小直線過多，容（róng）易增大加工信息量（liàng），且（qiě）這些直線段很難將複雜曲（qǔ）麵模型有效反映出來。在此背景下，要求機床數控係統應（yīng）用中，應在（zài）NURBS 插補功能上進行完善，保證切削運動開展中，以NURBS 曲線運動（dòng）為依據，這（zhè）樣（yàng）刀具軌跡將更為光順。

      （一（yī））NURBS 刀具路（lù）徑

      對（duì）於傳統刀具路徑規劃中的弊（bì）病，主要考慮將NURBS 曲（qǔ）線插補引入到數控係統中。該種曲線運用下，強調在確定曲線階次後，通過節點矢量、權重（chóng）因子以（yǐ）及控製頂點等矢量完成曲線的確定。此時CNC 係（xì）統在利用NURBS 帶來的（de）插補功能後，可使整個刀具軌跡運動得以控（kòng）製，防止因曲線加工問（wèn）題而產生（shēng）加工缺陷。由此可見，通過NURBS 刀具路徑的（de）應用，可使刀具軌（guǐ）跡（jì）更為光滑連續。需注意的是，數控加工過程中對於該（gāi）方法（fǎ）的運用，無需將更（gèng）多微小直線段指令引（yǐn）入其中，僅需做（zuò）好刀具路徑數值定義即可。其中的插補空能可直接完成曲線運算過程，使加工形狀更為（wéi）光滑（huá）[2]。

      （二）曲（qǔ）線擬合工作（zuò）的開展

      在NURBS 刀具路徑應用中，對於曲麵（miàn）零件輪廓很難表示出來（lái），此時應（yīng）注意以零件（jiàn）加工工藝、幾何模型（xíng）為依據，保證刀具（jù）路徑（jìng）的生成能夠通過刀位點表示出來。而該目標的實現關鍵在於做好曲線擬合工作（zuò），對已知刀位點進行擬合，完成刀具路（lù）徑（jìng）的確定，在此基礎上將曲線向數控係統傳輸，完成數控加（jiā）工過程（chéng）。為使加（jiā）工過程中，被加工曲麵、刀具路徑（jìng）以二階幾何連續（xù）性的形式呈現，可考慮將三次曲線引入其中。此時，可直接在已知（zhī）刀位點運用下，對節點矢量、權重因子以及控製頂點進行求解，完成擬合過程。需注意的是在NURBS 刀具路徑運（yùn）用下，需采取擬合處理措施，且避免擬合過程中（zhōng）有較大誤差存在，其將直接影響最終的路（lù）徑生成（chéng）結果。另外，在NURBS 曲線擬合下，還需做好算法優化工作，如其中的控製頂點優化部分，應（yīng）保證擬合曲線、刀位點間不存在較大偏（piān）差。且通過初始控製頂點（diǎn）的設定，將迭（dié）代計算此時減少，這樣在計（jì）算節點矢量後便可達到控製頂點優化的目標[3]。

     三、結語

     刀具路徑技（jì）術的應用是現行自由曲麵數控加工中（zhōng）的必然要求。實（shí）際進（jìn）行路徑規劃中，應正確認識刀具路（lù）徑技術的基（jī）本內涵以及優勢與不足，在此基礎上采取相應的優化措施（shī），主要可通過NURBS 刀具路徑曲線擬合、算法的優化實現，對提（tí）升自（zì）由曲（qǔ）麵綜合性能將發（fā）揮重（chóng）要作用。

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