自由曲面高性能數控加工刀具路徑技術研究
2017-8-2 來源： 中航飛機漢中航空零組件制造有限公司 作者： 柴偉平
摘 要：隨著現代制造行業的快速發展，對復雜曲面的應用也提出更高的要求。然而大多產品制造如手機外殼、渦輪機槳葉、汽車車身以及飛機輪廓等在運用復雜曲面時，仍面臨加工精度、加工效率等問題。通過實踐研究發現，將相應的刀具路徑技術引入其中，有利于誤差的控制與加工效率的提高等要求。本文將對刀具路徑技術相關概述以及刀具路徑技術的具體運用進行探析。
關鍵詞：自由曲面刀具路徑技術應用
機械與工藝
作為復雜曲面加工中的主要內容，刀具路徑規劃對整個加工效率都會產生較大的影響。從以往刀具路徑規劃現狀看，由于路徑不合理問題的存在，直接導致加工中存在較多誤差，使曲面表面質量難以保證，且加工效率受到明顯影響。在此背景下，便要求將相關的刀具路徑技術引入其中，全面提升自由曲面的性能。因此，本文對刀具路徑技術在自由曲面加工中的應用研究，具有十分重要的意義。
一、刀具路徑規劃相關概述
刀具路徑規劃，是當前數控加工自由曲面中的主要問題。以往數控加工工作中，路徑規劃多通過數控編程實現，很難滿足現代自動編程要求。而現代數控加工中充分利用計算機技術，對于較多復雜曲面零件加工可取得明顯效果。從其中刀具路徑技術看，首先表現在以ATP 為基礎的路徑規劃方面，其直接定義導動畫曲面，保證通過移動路線將整個曲面準確反映出來。該方法實際應用中，強調對刀具運動進行控制，盡可能使刀具與零件面或與導動面進行接觸，這樣刀具能夠在正確軌跡上完成運動過程。需注意的是這種方法運用下也有一定弊病存在，如在誤差控制中，要求反復對每一刀步進行運算，其中的迭代計算不僅耗費較多時間，且迭代收斂在曲面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，主要將刀具路徑在坐標中XY 平面表示出來，一般路徑呈現的方式以平行直線為主，在此基礎上對直線進行投影，曲面中投影便為刀具路徑。
該技術應用下，可能出現刀具、零件表面有交叉點存在，增大計算量。最后，參數空間規劃。對于該種方式，可細化為參數篩選、等參數步長等。前者強調進行等參數步長的預設，將零件對應點列推測出來，在此基礎上以加工精度、曲面曲率為依據將點位信息從點列中進行去除。整個過程的開展不涉及較大數據量，但也會耗費較多時間。而后一種方法應用下，會取較小的步長，以便于加工精度的提高，但由于其中步長的估計未考慮到曲面曲率，即使計算較為簡便，但最終獲取過多的點位信息，仍成為路徑規劃的主要難題。綜合來看，現行刀具路徑規劃中可應用的技術較多，但都有一定的不足之處，要求采取相應的優化策略[1]。
二、刀具路徑技術的具體應用研究
數控加工過程中，對于刀具路徑多細化為不同的直線段，可將這種方式叫做直線插補。盡管其應用中，表現出計算便捷、表達簡單等優勢，但其中存在的缺點也不容忽視，如曲面加工精度較高情況下，由于加工工序中的微小直線過多，容易增大加工信息量，且這些直線段很難將復雜曲面模型有效反映出來。在此背景下，要求機床數控系統應用中，應在NURBS 插補功能上進行完善，保證切削運動開展中，以NURBS 曲線運動為依據，這樣刀具軌跡將更為光順。
（一）NURBS 刀具路徑
對于傳統刀具路徑規劃中的弊病，主要考慮將NURBS 曲線插補引入到數控系統中。該種曲線運用下，強調在確定曲線階次后，通過節點矢量、權重因子以及控制頂點等矢量完成曲線的確定。此時CNC 系統在利用NURBS 帶來的插補功能后，可使整個刀具軌跡運動得以控制，防止因曲線加工問題而產生加工缺陷。由此可見，通過NURBS 刀具路徑的應用，可使刀具軌跡更為光滑連續。需注意的是，數控加工過程中對于該方法的運用，無需將更多微小直線段指令引入其中，僅需做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，使加工形狀更為光滑[2]。
（二）曲線擬合工作的開展
在NURBS 刀具路徑應用中，對于曲面零件輪廓很難表示出來，此時應注意以零件加工工藝、幾何模型為依據，保證刀具路徑的生成能夠通過刀位點表示出來。而該目標的實現關鍵在于做好曲線擬合工作，對已知刀位點進行擬合，完成刀具路徑的確定，在此基礎上將曲線向數控系統傳輸，完成數控加工過程。為使加工過程中，被加工曲面、刀具路徑以二階幾何連續性的形式呈現，可考慮將三次曲線引入其中。此時，可直接在已知刀位點運用下，對節點矢量、權重因子以及控制頂點進行求解，完成擬合過程。需注意的是在NURBS 刀具路徑運用下，需采取擬合處理措施，且避免擬合過程中有較大誤差存在，其將直接影響最終的路徑生成結果。另外，在NURBS 曲線擬合下，還需做好算法優化工作，如其中的控制頂點優化部分，應保證擬合曲線、刀位點間不存在較大偏差。且通過初始控制頂點的設定，將迭代計算此時減少，這樣在計算節點矢量后便可達到控制頂點優化的目標[3]。
三、結語
刀具路徑技術的應用是現行自由曲面數控加工中的必然要求。實際進行路徑規劃中，應正確認識刀具路徑技術的基本內涵以及優勢與不足，在此基礎上采取相應的優化措施，主要可通過NURBS 刀具路徑曲線擬合、算法的優化實現，對提升自由曲面綜合性能將發揮重要作用。
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