作者：Sergej N. Grigoriev, A.A. Kutin, V.V.Pirogov
       摘要：本文提出了一種提高精度和縮短計(jì)算時(shí)間的方法，用于復(fù)雜刀具軌跡編程的多軸加工中心。要求復(fù)雜刀具軌跡的一些零部件有各種各樣的渦輪葉片、壓力泵螺旋鉆和輪齒表面等。該方法依據(jù)帶有浮動(dòng)范圍定義的樣條曲線(xiàn)解析對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的產(chǎn)生進(jìn)行研究分析，還可以對(duì)多軸銑削加工工藝的特殊要求進(jìn)行調(diào)整。本文提出的算法是CAD/CAM軟件的基礎(chǔ)，可用于使用任意模型的五軸加工中心和數(shù)控編程。采用高速切削的方法和定制刀具進(jìn)行加工試驗(yàn)，結(jié)果表明，帶有復(fù)雜表面的零部件數(shù)控編程時(shí)間縮短了70-80%，加工時(shí)間縮短了40-50%；充分提高了加工精度。
       關(guān)鍵詞：數(shù)控編程,多軸銑削,CAD/CAM軟件,加工精度
1、引言
       如今，計(jì)算機(jī)技術(shù)能充分提高編程速度，利用多種加工方法縮短零部件約90%的加工時(shí)間。但要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工件表面的高速多軸加工，則需要采用新的軟件。隨著更加復(fù)雜精致的產(chǎn)品研發(fā)，加工過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)更多技術(shù)性困難；而現(xiàn)有的主流算法則解決不了這些問(wèn)題。例如，雙曲面渦輪機(jī)葉輪工藝（圖1）中，為了增大葉輪的輸出力，需要雙倍增加完整葉輪和截?cái)嗳~輪的數(shù)量，葉輪厚度也因此而降低。據(jù)此可知，這種葉輪的實(shí)際加工時(shí)間應(yīng)該雙倍增加。但實(shí)際加工時(shí)間卻增長(zhǎng)了近10倍。加工一個(gè)單通道原本需要1小時(shí)，但采用全新設(shè)計(jì)的方法則需要380分鐘。這是由于：
       1）小直徑刀具的選用和加工把進(jìn)給速度由200mm/min降低到了80mm/min。
       2）由于葉輪厚度變小而所需的額外加工導(dǎo)致材料去除較大，進(jìn)而引起零件變形。
為縮短加工時(shí)間，需要實(shí)現(xiàn)高速切削和多軸加工的新型工藝。研發(fā)新型數(shù)控編程，提高加工精度和刀具軌跡的計(jì)算時(shí)間。
2、五軸加工中用于數(shù)學(xué)建模的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
       現(xiàn)代新型產(chǎn)品在精度和形狀復(fù)雜度方面的提高要求CAM系統(tǒng)五軸加工推出新的軟件。根據(jù)研究，要想提高10倍的精確度，計(jì)算時(shí)間則會(huì)增加100倍。在刀具軌跡建模中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這些問(wèn)題，所以參數(shù)模型的重新計(jì)算就十分必要，而計(jì)算時(shí)間同時(shí)也很長(zhǎng)。
將一個(gè)曲面定義為解析樣條曲線(xiàn)的一般公式如下：

       從數(shù)學(xué)模型的函數(shù)算法維護(hù)角度來(lái)分析公式1，在求得所有曲面的一般算法之后會(huì)發(fā)現(xiàn)，矩陣積是軟件的計(jì)算機(jī)制最為便捷的方法。因子的設(shè)置，也即矢量因子a（2）和因子b（3）的矢量可以定義為：


       將公式8作為所有工件模型的曲面幾何參數(shù)的算法基礎(chǔ)，可以囊括一個(gè)平行模式中所有元素的解決算法。求得矢量矩陣Cc和Sc并利用它們和矢量矩陣Ac，Bc的純量乘法以及對(duì)矢量ac做出的修改，可以計(jì)算一個(gè)加工循環(huán)內(nèi)的所有刀刃并同時(shí)計(jì)算所有加工循環(huán)內(nèi)的刀刃。它可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)構(gòu)Ac和Bc的制備工藝?；趗曲面和v曲面的表面表達(dá)如下：


其中：

3、用于刀具軌跡計(jì)算的曲面關(guān)聯(lián)的拓?fù)淠Ｐ?/strong>
       刀具軌跡計(jì)算的建模集中在五軸加工工藝參數(shù)的參量問(wèn)題上。在諸多金屬加工工藝中五軸銑削工藝應(yīng)用占比不斷增大。但在不改變技術(shù)基礎(chǔ)的前提下使用單一加工裝備完成諸多加工要求則會(huì)面臨一些全新的問(wèn)題。這些問(wèn)題歸結(jié)為三大類(lèi)：
       1）實(shí)現(xiàn)最大加工速度，縮短加工時(shí)間；
       2）降低加工過(guò)程中因中間環(huán)節(jié)的增多而引起的操作次數(shù)；
       3）提高個(gè)性化定制產(chǎn)品的加工精度。
       所有這些趨勢(shì)在工藝計(jì)劃中都應(yīng)該充分的考慮到。鑒于此，創(chuàng)建數(shù)控編程的CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)該精確地描述出工件的幾何形狀、在工件和刀具間相對(duì)位置上具備一定的靈活性，并考慮到切削工藝本身的一些特點(diǎn)。這種初始信息是加工建模的基礎(chǔ)。
       伴隨復(fù)合編程T-Flex CAD/CAM10.0可以在特殊編程模塊中識(shí)別類(lèi)似的任務(wù)。
       下面，利用復(fù)雜空間表面（SCS）工件的數(shù)控編程為例，對(duì)參數(shù)和加工進(jìn)行闡述說(shuō)明，如圖2所示：

       1）幾何形狀復(fù)雜性：根據(jù)零部件規(guī)格的流體動(dòng)力分析或空氣動(dòng)力分析所規(guī)定的光滑界面以及雙曲面共同構(gòu)成加工零部件。刀具軌跡的計(jì)算不以類(lèi)似輪廓的線(xiàn)性漸移為基礎(chǔ)。同時(shí)還需要考慮工件表面每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)以及刀具的傾角。此外，為了分析曲面由一個(gè)設(shè)定點(diǎn)到另一個(gè)設(shè)定點(diǎn)所發(fā)生的變化，還要考慮延續(xù)至二階導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性。
       2）技術(shù)復(fù)雜性：一些零部件有表面的相對(duì)定位，會(huì)產(chǎn)生“陰影區(qū)”并變窄。刀具在工件表面滑動(dòng)時(shí)的效應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)切削表面。鑒于此，需要設(shè)置一個(gè)刀具位置，以此來(lái)排除刀具外沿部分和其他表面的接觸。
       3）幾何形狀和技術(shù)的聯(lián)合復(fù)雜性：該復(fù)雜性一方面是零部件的幾何尺寸比例（如葉輪的高度和厚度比值）；另一方面是基本成形表面的轉(zhuǎn)換點(diǎn)沿加工表面產(chǎn)生的硬度不均勻分布。工件柔軟性的不同尺寸不允許切削力保持常量，進(jìn)而導(dǎo)致切削深度和進(jìn)給等技術(shù)參數(shù)也不能保持常量。因此，有必要在數(shù)控編程過(guò)程中提供持續(xù)的變量技術(shù)參數(shù)。
       T-Flex CAD/CAM系統(tǒng)包括專(zhuān)業(yè)化算法，考慮了以上特征。
       參量處理的初始階段是指形成刀具軌跡的每個(gè)表面定義的基礎(chǔ)區(qū)的計(jì)算過(guò)程。為利用這種算法，首先需要根據(jù)限制方建立一個(gè)3D輪廓，然后再進(jìn)行幾何參數(shù)的數(shù)控編程。零件模型的一致性選擇和規(guī)格化指導(dǎo)著頂部輪廓的3D軌跡并限制著底部輪廓的3D軌跡，從而使得刀具軌跡的幾何組份得以定義。進(jìn)一步的計(jì)算如下所示：
       1）利用一致的表面內(nèi)的軟件將表面限制至所選方法；
       2）設(shè)計(jì)一個(gè)表面的等高距，利用刀具半徑求得位移；
       3）求得一組刀具軌跡的閉合線(xiàn)圈，其中每個(gè)點(diǎn)沿定量組份移動(dòng)，V=常量：環(huán)形或之字形；每個(gè)點(diǎn)以定量深度和V=V+dV的組份移動(dòng)（V表示等參線(xiàn)）。
       在加工螺旋軌跡時(shí)用該方法定義切削刀具的運(yùn)動(dòng)有一下優(yōu)勢(shì)：
       1）能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)定量的材料去除；
       2）切削過(guò)程影響著加工時(shí)間。
       由一個(gè)高度到另一個(gè)高度的輔助過(guò)渡被排除，無(wú)需對(duì)連接基礎(chǔ)幾何元素的表面進(jìn)行更新。
4、五軸銑削工藝中切削刀具軌跡的計(jì)算
       產(chǎn)生前進(jìn)角的不同參量方法、產(chǎn)量項(xiàng)銑削和容許公差的參量定義等都可以歸為五軸銑削的加工特性。零件的精確幾何形狀影響切削刀具位置的正確計(jì)算。在五軸加工中要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精確調(diào)整，需要將數(shù)控編程定位在切削刀具的中心線(xiàn)上。
       但在機(jī)床上進(jìn)行加工時(shí)，表面質(zhì)量取決于切削參數(shù)和刀具的角位置。算法設(shè)計(jì)的另外一個(gè)問(wèn)題就是前進(jìn)刀具的角度問(wèn)題，它取決于機(jī)床參數(shù)。對(duì)于T-Flex CAD/CAM系統(tǒng)中前進(jìn)角的計(jì)算，刀具傾角有以下情況：
       1）前進(jìn)角設(shè)定為縱向傾角，與運(yùn)動(dòng)方向垂直；
       2）利用聚焦法來(lái)設(shè)定刀具傾角
       3）前進(jìn)角為雙重等距離。
       該情形下，刀具的軸在兩個(gè)空間曲面的對(duì)應(yīng)點(diǎn)上通過(guò)。
       圖3：設(shè)計(jì)聚焦曲面刀具軌跡的示例圖
     （詳細(xì)內(nèi)容敬請(qǐng)點(diǎn)擊這里）