五軸數(shù)控加工中刀具干涉處理的特征投影法簡(jiǎn)介（一）

 隨著現(xiàn)代工業(yè)中零件復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)的增加，五軸加工在數(shù)控加工中所占比重將愈來(lái)愈大。由于五軸數(shù)控加工加入了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，增加了數(shù)控加工運(yùn)動(dòng)模擬計(jì)算和刀具干涉檢查的難度，特別是在加工形狀極其復(fù)雜的零件表面時(shí)，更是如此。因此，為了確保五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行高效率和高質(zhì)量的切削加工，開(kāi)發(fā)五軸加工刀具軌跡生成及其干涉檢查的軟件將成為研究者面臨的重大課題。
    筆者提出了一種適用于五軸數(shù)控加工刀具干涉處理的特征投影法，即將加工曲面離散成一系列曲面特征點(diǎn)，是否發(fā)生刀具干涉可由特征點(diǎn)是否進(jìn)入刀具表面內(nèi)部來(lái)判斷。同時(shí)將加工曲面和刀具表面投影到一個(gè)特定平面上，僅將包絡(luò)刀具投影圖形的曲面區(qū)域內(nèi)的特征檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行干涉檢查，提高干涉檢測(cè)的效率。
    1.干涉檢查方法
    坐標(biāo)系及坐標(biāo)變換
                                                          

   如圖1所示，五軸環(huán)行刀NC加工的局部坐標(biāo)系L表示為XL軸、YL軸和ZL軸，YL軸總是指向該刀觸點(diǎn)(CutterContactPoints，簡(jiǎn)稱CC點(diǎn))OL的走刀方向f，ZL軸指向曲面外法線方向n，而XL軸則由YL軸和ZL軸的右手法則確定。刀具一般繞XL軸由ZL軸向YL軸方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)導(dǎo)前角(后跟角)a，和繞ZL軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)又一個(gè)側(cè)偏角b。另外，在刀位點(diǎn)(CutterLocationPoints，簡(jiǎn)稱CL點(diǎn))OT處還可定義刀具坐標(biāo)系T(XT，YT，ZT)，其中YT軸指向CL點(diǎn)和CC點(diǎn)連線方向，ZT軸為刀軸矢量方向，XT軸是由YT軸和ZT軸的右手法則確定的方向，坐標(biāo)原點(diǎn)位于刀具中心點(diǎn)(即CL點(diǎn))OT。為了簡(jiǎn)化干涉檢查，以形狀較為規(guī)則的刀具表面作為基準(zhǔn)進(jìn)行干涉檢測(cè)，加工曲面經(jīng)過(guò)離散后以一組特征點(diǎn)的形式來(lái)表示曲面形狀，這些特征點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)均在世界坐標(biāo)系W中表示，因此首先必須將特征點(diǎn)數(shù)據(jù)從世界坐標(biāo)系W(OW-XW，YW，ZW)變換到局部坐標(biāo)系L(OL-XL，YL，ZL)，再由局部坐標(biāo)系L變換到刀具坐標(biāo)系T(OT-XT，YT，ZT)中來(lái)表示。
    干涉檢查方法
                                                            

   如果刀具和動(dòng)力頭已選定，則刀具系(刀具和動(dòng)力頭)的尺寸即為已知，刀具系與加工曲面是否發(fā)生干涉，可由判別特征點(diǎn)P是否進(jìn)入刀具表面內(nèi)部來(lái)確定。如圖2所示，為環(huán)形刀加工時(shí)刀具系與加工曲面的位置關(guān)系，在刀具坐標(biāo)系中，設(shè)特征點(diǎn)P的坐標(biāo)為PI(Xpt，Ypt，Zpt)，根據(jù)刀具系的不同組合部分，將特征點(diǎn)P的坐標(biāo)值Zpt分為4段進(jìn)行判別，具體情況如下：
    當(dāng)特征點(diǎn)P處于u1段范圍內(nèi)，則不會(huì)發(fā)生干涉。
    當(dāng)特征點(diǎn)P處于u2范圍內(nèi)，有兩種情況，將圓環(huán)體分成兩部分：小圓柱部分P1和圓環(huán)部分P2。當(dāng)特征點(diǎn)涉入圓柱部分P1時(shí)，發(fā)生刀具干涉，即滿足
                                    
                          式中R表示刀具半徑，R1表示環(huán)行刀的圓環(huán)半徑。
    當(dāng)特征點(diǎn)涉入圓環(huán)部分P2時(shí)，也發(fā)生刀具干涉，即滿足

式中
        若特征點(diǎn)P沒(méi)有進(jìn)入P1和P2部分，則不發(fā)生刀具干涉。
    當(dāng)特征點(diǎn)P處于u3段范圍內(nèi)，則當(dāng)特征點(diǎn)P至ZT軸之間的距離小于刀具半徑時(shí)，發(fā)生刀具干涉，即滿足
                                        
    否則，不發(fā)生刀具干涉。
    當(dāng)特征點(diǎn)P處于u4段范圍內(nèi)，情況同3，只要把式(3)中刀具半徑R換成動(dòng)力頭半徑d/2來(lái)進(jìn)行判別即可。
    把與刀具系發(fā)生干涉的曲面特征點(diǎn)稱為干涉點(diǎn)，按上述方法檢測(cè)出所有的干涉點(diǎn)，并計(jì)算各干涉點(diǎn)徑向方向上的干涉量，然后采用適當(dāng)?shù)姆绞絹?lái)消除干涉。
    檢查的特征投影法
    將刀具系和曲面特征點(diǎn)投影到一個(gè)二維的平面(投影平面)上，在二維投影平面上取合理的間距對(duì)加工曲面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，分割成一系列正方形。如圖3所示，當(dāng)正方形完全被投影刀具系輪廓覆蓋時(shí)，記為完全正方形，在該區(qū)域內(nèi)的曲面特征點(diǎn)有可能與刀具系發(fā)生干涉；當(dāng)正方形完全沒(méi)有被投影刀具系輪廓相交時(shí)，記為非正方形，不可能與刀具系發(fā)生干涉；當(dāng)正方形部分被投影刀具系輪廓覆蓋時(shí)，記為部分正方形。為了進(jìn)一步減少特征點(diǎn)的檢查數(shù)目，對(duì)部分正方形作一次四叉樹(shù)分割處理，刪除非正方形，將可能發(fā)生干涉的特征點(diǎn)按區(qū)域順序，重新編制檢測(cè)文件，然后進(jìn)行坐標(biāo)變換和干涉檢查。