數控加工刀具軌跡設計中的幾個優(yōu)化問題

    對于一個復雜程度高、精度要求高、需要用數控機床來加工的零件，如何從CAD產生的設計圖，通過CAM變成實際的實物產品，是CAD/CAM的技術目標。其中一個重要的技術環(huán)節(jié)是如何根據CAD設計圖和具體加工刀具的有關參數，設計出NC刀具的運動軌跡。刀具運動軌跡設計質量的好壞，將直接影響零件的加工質量及加工成本。這里研究并解決了刀軌設計中的幾個優(yōu)化問題，并在自已開發(fā)設計的CAD/CAM系統(tǒng)的NC刀具運動軌跡設計中得到很好地應用。

1 NC刀具運動軌跡設計中的誤差源

    在計算機自動編制數控程序前，必須根據零件的輪廓，產生相應的刀具運動軌跡。刀具的尺寸不一樣，設計產生的刀具運動軌跡也不一樣。因此誤差將產生于刀具的尺寸和刀具運動軌跡的設計算法兩個方面。

1. 刀具尺寸的影響

    主要是以刀具公稱尺寸作為刀具運動軌跡的設計參數而引起的。在進行刀具運動軌跡設計的計算時，刀具的尺寸應該是刀具的實際尺寸，這樣就可以避免由于刀具尺寸有誤而引起的誤差。

2.                                刀具運動軌跡設計算法的影響

    主要是由算法設計者考慮不周而引起的：

a.刀具沿零件輪廓的法向切入時，由于機床運動慣性引起的刀痕誤差。

b.在加工零件的輪廓包圍面時，為使加工能連續(xù)進行，同時避免在輪廓加工起點上出現(xiàn)交點的重合，引起計算機在數控編程時無法判定下一步的走向，往往采取分離加工輪廓的起點和終點的方法。但是，當簡單的采用打斷輪廓面曲線的方式，就會產生輪廓加工誤差。

c.對于零件輪廓銳角外拐角尖角處的加工，為了使尖角能夠很好的保留，若嚴格按照輪廓的尖角來設計，所產生的刀具軌跡會使加工消耗大量的時間做無意義的運動，而且還很有可能產生對零件其他部分的干涉，造成加工零件的報廢。

d.當采用復合軌跡加工時，如何設計出較優(yōu)化的刀軌，即保證加工質量，又使加工路徑最短，是值得研究的問題。

2 刀軌設計中的幾個優(yōu)化問題

1.刀痕誤差解決方法

    對于減小刀具切入方向不同可能引起刀痕誤差的解決辦法是：盡量避免沿零件輪廓的法向切入，盡量沿零件輪廓的切向切入。對于有些有特殊加工起點要求的零件，一味地追求切向切入，可能產生干涉(如圖1所示)。為此，在切入點的設計中我們采用了分別對待的辦法。對于圓柱體，設置了自動優(yōu)化為切向切入的功能；對于其它的輪廓采用在計算機的揭示幫助下，用人機對話的方式來設定優(yōu)化切入點。這樣既避免了為追求某一目標而出現(xiàn)新的問題，又發(fā)揮了計算機和人的各自優(yōu)勢。

圖1 切向切入會發(fā)生干涉的情況

　　2.零件的加工

在加工零件的輪廓包圍面時，首先要保證各輪廓被完整地加工出來，同時避免在加工過程中出現(xiàn)重合的交點以使加工能連續(xù)進行。為達到這一目的，在零件的輪廓上我們做了如正氣處理：先切斷輪廓曲線，然后根據原輪廓曲線的設計，加長輪廓曲線，使刀具加工的軌跡通過起點后，再沿著輪廓曲線前進0.5mm左右才達到終點。這樣設計的終點就能順利地與刀具的下一步加工軌跡相連接，同時輪廓面也能被完整光滑地加工出來。

　　3.銳角外拐角尖角處的自動優(yōu)化設計

　　a.外拐角尖角處的分析

圖2 尖角處的情況

如圖2所示，刀具運動軌跡中心離開零件實際輪廓(尖角處)的距離D_S為：

D_S=R_O÷sina/2
其中：R_O為刀具半徑，a為尖角角度。

距離與尖角角度的關系如表1所示。從中可以看出，當尖角角度小于60°(D_S=2R_O)以后，D_S距離增加開始加快，這時采用優(yōu)化刀具運動軌跡的技術將起到很好的效果。

表1 距離與尖角角度的關系
a(°)	70	60	50	40	30	20	10	5	2.5
DS/RO	1.73	2.0	2.37	2.92	3.86	5.76	11.5	22.9	45.8

　　b.算法簡介

第一步，找出刀具運動軌跡中“線與線”相連接點PT₁。

第二步，測量接點PT₁到零件輪廓上“線與線”接點PS₁間距離D_S，當D_S=R_O(刀具半徑)時，返回第一步，繼續(xù)往下尋找，直到整個加工刀具運動軌跡查找完畢后，轉到第七步。

第三步，D_S＞R_O時，檢查角PT_23A＞60°，返回第一步。

第四步，以PT₁為圓心、D_S-R_O為半徑作圓，使該圓內的線段截斷刪除。

第五步，用直線連接兩個斷點，形成優(yōu)化刀具運動軌跡。

第六步，檢查整個加工刀具運動軌跡是否查找完畢，若沒有查找完，則返回第一步。

第七步，停止工作。

　　4.復合刀具運動軌跡的優(yōu)化設計

　　　所謂復合刀軌，是指在加工輪廓及其所包圍的面時(包圍面內可以有保物體，如凸臺等)，為保證輪廓質量又能使輪廓面內得到完整的加工，設計時先按輪廓加工，再按平行軌跡加工輪廓包圍的面。為設計出最短距離的優(yōu)化軌跡，采取了先離散各刀軌，然后用優(yōu)化算法連接設計出優(yōu)化刀軌。優(yōu)化算法是：

1.從連接的起始點出發(fā)，檢查各個需要連接的離散軌跡，從中找出距離起始點最近的軌跡端點。

2.用直線連接起始點及最近的軌跡端點，并設該段軌跡的另個端點為新的起始點

3.判別是否還有需要連接的離散軌跡，有則返回a繼續(xù)，否則結束優(yōu)化設計工作。

3 結束語

    通過對NC加工刀具運動軌跡設計中的誤差分析，討論研究了NC刀具路徑優(yōu)化問題。找出了減少和消除設計誤差的方法，建立并開發(fā)了優(yōu)化刀具加工路徑的算法和應用程序，并嵌入了開發(fā)設計的CAD/CAM系統(tǒng)中，為實現(xiàn)自動生成刀具加工路徑提供了方便。對實現(xiàn)CAD/CAM技術具有很好的參考價值。