自由曲面高性能数控加工刀具路径技术研究
2017-8-2 来源： 中航飞机汉中航空零组件制造有限公司 作者： 柴伟平
摘 要：随着现代制造行业的快速发展，对复杂曲面的应用也提出更高的要求。然而大多产品制造如手机外壳、涡轮机桨叶、汽车车身以及飞机轮廓等在运用复杂曲面时，仍面临加工精度、加工效率等问题。通过实践研究发现，将相应的刀具路径技术引入其中，有利于误差的控制与加工效率的提高等要求。本文将对刀具路径技术相关概述以及刀具路径技术的具体运用进行探析。
关键词：自由曲面刀具路径技术应用
机械与工艺
作为复杂曲面加工中的主要内容，刀具路径规划对整个加工效率都会产生较大的影响。从以往刀具路径规划现状看，由于路径不合理问题的存在，直接导致加工中存在较多误差，使曲面表面质量难以保证，且加工效率受到明显影响。在此背景下，便要求将相关的刀具路径技术引入其中，全面提升自由曲面的性能。因此，本文对刀具路径技术在自由曲面加工中的应用研究，具有十分重要的意义。
一、刀具路径规划相关概述
刀具路径规划，是当前数控加工自由曲面中的主要问题。以往数控加工工作中，路径规划多通过数控编程实现，很难满足现代自动编程要求。而现代数控加工中充分利用计算机技术，对于较多复杂曲面零件加工可取得明显效果。从其中刀具路径技术看，首先表现在以ATP 为基础的路径规划方面，其直接定义导动画曲面，保证通过移动路线将整个曲面准确反映出来。该方法实际应用中，强调对刀具运动进行控制，尽可能使刀具与零件面或与导动面进行接触，这样刀具能够在正确轨迹上完成运动过程。需注意的是这种方法运用下也有一定弊病存在，如在误差控制中，要求反复对每一刀步进行运算，其中的迭代计算不仅耗费较多时间，且迭代收敛在曲面不规则情况下将难以实现。其次，规划以笛卡尔坐标空间为依据。该方法运用下，主要将刀具路径在坐标中XY 平面表示出来，一般路径呈现的方式以平行直线为主，在此基础上对直线进行投影，曲面中投影便为刀具路径。
该技术应用下，可能出现刀具、零件表面有交叉点存在，增大计算量。最后，参数空间规划。对于该种方式，可细化为参数筛选、等参数步长等。前者强调进行等参数步长的预设，将零件对应点列推测出来，在此基础上以加工精度、曲面曲率为依据将点位信息从点列中进行去除。整个过程的开展不涉及较大数据量，但也会耗费较多时间。而后一种方法应用下，会取较小的步长，以便于加工精度的提高，但由于其中步长的估计未考虑到曲面曲率，即使计算较为简便，但最终获取过多的点位信息，仍成为路径规划的主要难题。综合来看，现行刀具路径规划中可应用的技术较多，但都有一定的不足之处，要求采取相应的优化策略[1]。
二、刀具路径技术的具体应用研究
数控加工过程中，对于刀具路径多细化为不同的直线段，可将这种方式叫做直线插补。尽管其应用中，表现出计算便捷、表达简单等优势，但其中存在的缺点也不容忽视，如曲面加工精度较高情况下，由于加工工序中的微小直线过多，容易增大加工信息量，且这些直线段很难将复杂曲面模型有效反映出来。在此背景下，要求机床数控系统应用中，应在NURBS 插补功能上进行完善，保证切削运动开展中，以NURBS 曲线运动为依据，这样刀具轨迹将更为光顺。
（一）NURBS 刀具路径
对于传统刀具路径规划中的弊病，主要考虑将NURBS 曲线插补引入到数控系统中。该种曲线运用下，强调在确定曲线阶次后，通过节点矢量、权重因子以及控制顶点等矢量完成曲线的确定。此时CNC 系统在利用NURBS 带来的插补功能后，可使整个刀具轨迹运动得以控制，防止因曲线加工问题而产生加工缺陷。由此可见，通过NURBS 刀具路径的应用，可使刀具轨迹更为光滑连续。需注意的是，数控加工过程中对于该方法的运用，无需将更多微小直线段指令引入其中，仅需做好刀具路径数值定义即可。其中的插补空能可直接完成曲线运算过程，使加工形状更为光滑[2]。
（二）曲线拟合工作的开展
在NURBS 刀具路径应用中，对于曲面零件轮廓很难表示出来，此时应注意以零件加工工艺、几何模型为依据，保证刀具路径的生成能够通过刀位点表示出来。而该目标的实现关键在于做好曲线拟合工作，对已知刀位点进行拟合，完成刀具路径的确定，在此基础上将曲线向数控系统传输，完成数控加工过程。为使加工过程中，被加工曲面、刀具路径以二阶几何连续性的形式呈现，可考虑将三次曲线引入其中。此时，可直接在已知刀位点运用下，对节点矢量、权重因子以及控制顶点进行求解，完成拟合过程。需注意的是在NURBS 刀具路径运用下，需采取拟合处理措施，且避免拟合过程中有较大误差存在，其将直接影响最终的路径生成结果。另外，在NURBS 曲线拟合下，还需做好算法优化工作，如其中的控制顶点优化部分，应保证拟合曲线、刀位点间不存在较大偏差。且通过初始控制顶点的设定，将迭代计算此时减少，这样在计算节点矢量后便可达到控制顶点优化的目标[3]。
三、结语
刀具路径技术的应用是现行自由曲面数控加工中的必然要求。实际进行路径规划中，应正确认识刀具路径技术的基本内涵以及优势与不足，在此基础上采取相应的优化措施，主要可通过NURBS 刀具路径曲线拟合、算法的优化实现，对提升自由曲面综合性能将发挥重要作用。
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