复杂曲面数控加工刀具轨迹的生成技术

摘 要：当前，随着全球经济一体化速度的不断，各个国家之间的竞争激烈程度不断增强，在这个过程中，各个国家的制造业的水平对于一个国家在国际分工中的地位以及国际竞争了具有重要的影响，在一定程度上决定了国家的经济地位。数控加工技术是制造业中的重要部分，其中的刀具轨迹规划是复杂曲面数控加工的重点研究内容，因此，本文针对复杂曲面轨迹规划关键技术进行分析，并指出复杂曲面数控刀具轨迹的生成技术，旨在改进轨迹规划算法，提高制造加工的质量和效率。

关键词：复杂曲面；数控加工；轨迹规划；优化

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

0 引言

随着时代的发展，汽车、机械以及船舶等工业产品的制造发展速度不断提高，在这个过程中对于各种由复杂空间自由曲面构成的零件使用量也是在不断的增多，由于这类曲面类零件加工是数控加工的重点研究对象，对于社会对于复杂曲面数控技术的进步提出了新的要求。为了实现复杂曲面零件的数控加工，需要首先生成复杂曲面的刀具轨迹，并在此基础上处理得到所需要的NC代码。本文针对复杂曲面数控加工的刀具轨迹的生产技术出发进行研究，并在分析和总结现有轨迹规划方法的基础上，指出其中需要改进的地方，进一步探讨促进复杂曲面数控加工刀具轨迹规划的发展。

1 复杂曲面数控加工刀具轨迹生成概述

（1）刀具轨迹生成。所谓刀具轨迹，是在切削刀具上规定点走过的轨迹，而复杂曲面数控加工刀具轨迹生成是指，根据所选用的加工机床、走刀方式、刀具以及加工余量等各个因素，通过零件的几何模型，进行的刀位计算并生成加工运动轨迹的过程。刀具轨迹生成对于数控加工具有重要意义，尤其是能否生成有效的刀具轨迹直接决定了现有数控加工的生产的可能性，并且影响着数控加工的质量和效率。另外，高质量的数控加工程序中需要保证使用的编程精度，还要能够满足编程效率高、通用性好和加工时间短的要求，只有这样才能保证刀具轨迹的有效生成。

（2）刀具轨迹生成的相关因素。首先，是刀具轨迹拓扑结构，具体是指刀具跟踪一系列刀位点形成曲面时的走刀模式，环切走到模式和行切走刀模式是现有复杂曲面数控加工中较为常见的轨迹，能够适应曲面局部较为复杂的特征，在工程制造的实际应用程度较高。

其次，是刀具轨迹参数，所谓刀具轨迹参数具体是指走刀步长和行距，前者主要是指同一轨迹上，由于受到加工误差大小的影响，相邻两刀位点之间的距离。后者主要是形容有刀具几何形状、残余高度和曲面几何信息因素决定的相邻轨迹间对应刀位点的距离。走刀步长和行距的大小与加工曲面精度之间存在反比关系，即步长和行距越大，加工曲面的越粗糙，但是处理时间和内存的占用越小，具有较高的效率。

最后，是刀具轨迹评估。对于生成刀具轨迹的优劣判断需要进行评估，主要是质量、效率和鲁棒性三个方面进行评估。质量评估是指在生成的刀具轨迹必须是残余高度在一定的范围内，并且无干涉。效率评估是指处理时间和内存的占用量必须在一定的范围内，另外，实际的加工时间也是在评估的时候给与考虑。所谓鲁棒性，是指刀具轨迹的适应能力。

2 刀具轨迹的生成方法

对于刀具轨迹的生成方法，最重要的一点是需要代码质量高，能够保证生成的刀位轨迹代码量较小，并且必须是无干涉。现在对于刀具轨迹的生产方法比较常见的是导动面法、参数线加工法和平行截面法。

（1）导动面法。所谓导动面法是指，为了保证刀具按照正确的轨迹运动，需要引入一个导动面，来保证切削刀具在零件表面与导动面相切。值得注意的是，在使用三轴球头刀加工曲面时，刀具轨迹在在本质上是零件面的等距面和导动面等距面的交线，导动面法能够保证是由零件面和导动面决定生成的刀具轨迹。

（2）参数线加工法。所谓参数线加工法，是指在生成刀具轨迹时以被加工曲面的参数作为刀具路径接触点。参数线加工法是复杂曲面数控加工刀具轨迹生成中最为基本的方法，主要的原因是因为计算量较小并且计算较为简单，但是，仅仅适合曲面参数线分布较为均匀的情况，如果分布不均匀的情况下，使用此方法的刀具轨迹加工效率较低。

（3）平行截面法。所谓平行截面法，是指使用平行截面截取加工曲面或者是偏置面，加工曲面主要是交线作为刀触点刀具轨迹，后者主要是刀位点刀具轨迹。在具体的使用过程中一般情况下会将曲面离散，形成多面体模型，主要是由一系列的小三角面片或者是四边形面片。虽然这种方法较有成效，但是在使用研究中发现，由于截面间距的控制难度较高，所以在曲面的不同部位，特别是陡峭处生成的轨迹疏密程度与平坦处的轨迹疏密程度之间存在较大差别，在整个刀具轨迹的生成这能够造成残余高度分布并不均匀。

3 行距和走刀步长的确定

（1）行距。行距经过精算之后，选择的最优行距对于刀位轨迹的生成具有至关重要的作用。在具体情况下，计算行距多是采用刀具半径、残余高度以及曲面曲率半径三者之间的复合函数。最优的行距既不能過小，也不能太大，主要原因是，行距选择的过小，容易在加工的过程中导致加工时间的延长，对于生产加工效率的提高产生不利影响。而行距过大，就会导致曲面残余高度的数值变大，所以会导致加工精度降低。因此，在计算行距的过程中，需要在计算的过程中考虑到加工时间和加工质量等多个因素，保证选择最优或者是最合理的行距。

（2）走刀步长的确定。曲面加工的刀具轨迹在理论上应该是由刀具和曲面之间啮合形成的复杂曲线，但是在具体的运作中，由于使用的CNC插补能力有限，所以这个复杂曲线只能是变现为一系列的小直线段。刀具通过线性插补运动跟踪刀位点，在这个过程中走刀步长的大小，会直接影响着刀位数据密度的大小，并且对于加工程序也是有着较大的影响。走刀步长过小，会导致刀位数据密度过大，虽然是能够提高表面质量，但是会在一定程度上降低加工效率。因此，在确定走刀步长的过程中，需要在考虑精度的前提下确定，事实上，无论是采用哪种确定方式，都是会产生一定的误差。

4 结论

刀具轨迹生成技术是数控加工中最为重要的技术，对于实际应用具有重要影响，现在的技术还存在着较多的问题，需要在数控编程不断发展中逐步解决，提高复杂曲面数控加工刀具轨迹生成的质量。

参考文献：

[1]彭芳瑜，周云飞，周济.复杂曲面的无干涉刀位轨迹生成[J].华中科技大学学报：自然科学版，2012（02）：1- 4.

[2]王宏远.复杂型面加工过程中刀位轨迹的研究[D].兰州兰州理工大学测试计量技术及仪器，2015.

作者简介：刘松玲（1981-），女，河南南阳人，本科，助教，研究方向：机械制造工程。