數(shù)控加工刀具軌跡設(shè)計(jì)中的幾個(gè)優(yōu)化問(wèn)題

    對(duì)于一個(gè)復(fù)雜程度高、精度要求高、需要用數(shù)控機(jī)床來(lái)加工的零件，如何從CAD產(chǎn)生的設(shè)計(jì)圖，通過(guò)CAM變成實(shí)際的實(shí)物產(chǎn)品，是CAD/CAM的技術(shù)目標(biāo)。其中一個(gè)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)是如何根據(jù)CAD設(shè)計(jì)圖和具體加工刀具的有關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)出NC刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡。刀具運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞，將直接影響零件的加工質(zhì)量及加工成本。這里研究并解決了刀軌設(shè)計(jì)中的幾個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，并在自已開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的CAD/CAM系統(tǒng)的NC刀具運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)中得到很好地應(yīng)用。

1 NC刀具運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)中的誤差源

    在計(jì)算機(jī)自動(dòng)編制數(shù)控程序前，必須根據(jù)零件的輪廓，產(chǎn)生相應(yīng)的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡。刀具的尺寸不一樣，設(shè)計(jì)產(chǎn)生的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡也不一樣。因此誤差將產(chǎn)生于刀具的尺寸和刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)算法兩個(gè)方面。

1. 刀具尺寸的影響

    主要是以刀具公稱(chēng)尺寸作為刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)參數(shù)而引起的。在進(jìn)行刀具運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)的計(jì)算時(shí)，刀具的尺寸應(yīng)該是刀具的實(shí)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(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)算法的影響

    主要是由算法設(shè)計(jì)者考慮不周而引起的：

a.刀具沿零件輪廓的法向切入時(shí)，由于機(jī)床運(yùn)動(dòng)慣性引起的刀痕誤差。

b.在加工零件的輪廓包圍面時(shí)，為使加工能連續(xù)進(jìn)行，同時(shí)避免在輪廓加工起點(diǎn)上出現(xiàn)交點(diǎn)的重合，引起計(jì)算機(jī)在數(shù)控編程時(shí)無(wú)法判定下一步的走向，往往采取分離加工輪廓的起點(diǎn)和終點(diǎn)的方法。但是，當(dāng)簡(jiǎn)單的采用打斷輪廓面曲線(xiàn)的方式，就會(huì)產(chǎn)生輪廓加工誤差。

c.對(duì)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(yán)格按照輪廓的尖角來(lái)設(shè)計(jì)，所產(chǎn)生的刀具軌跡會(huì)使加工消耗大量的時(shí)間做無(wú)意義的運(yùn)動(dòng)，而且還很有可能產(chǎn)生對(duì)零件其他部分的干涉，造成加工零件的報(bào)廢。

d.當(dāng)采用復(fù)合軌跡加工時(shí)，如何設(shè)計(jì)出較優(yōu)化的刀軌，即保證加工質(zhì)量，又使加工路徑最短，是值得研究的問(wèn)題。

2 刀軌設(shè)計(jì)中的幾個(gè)優(yōu)化問(wèn)題

1.刀痕誤差解決方法

    對(duì)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(duì)于有些有特殊加工起點(diǎn)要求的零件，一味地追求切向切入，可能產(chǎn)生干涉(如圖1所示)。為此，在切入點(diǎn)的設(shè)計(jì)中我們采用了分別對(duì)待的辦法。對(duì)于圓柱體，設(shè)置了自動(dòng)優(yōu)化為切向切入的功能；對(duì)于其它的輪廓采用在計(jì)算機(jī)的揭示幫助下，用人機(jī)對(duì)話(huà)的方式來(lái)設(shè)定優(yōu)化切入點(diǎn)。這樣既避免了為追求某一目標(biāo)而出現(xiàn)新的問(wèn)題，又發(fā)揮了計(jì)算機(jī)和人的各自?xún)?yōu)勢(shì)。

圖1 切向切入會(huì)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(shí)，首先要保證各輪廓被完整地加工出來(lái)，同時(shí)避免在加工過(guò)程中出現(xiàn)重合的交點(diǎn)以使加工能連續(xù)進(jìn)行。為達(dá)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(xiàn)，然后根據(jù)原輪廓曲線(xiàn)的設(shè)計(jì)，加長(zhǎng)輪廓曲線(xiàn)，使刀具加工的軌跡通過(guò)起點(diǎn)后，再沿著輪廓曲線(xiàn)前進(jìn)0.5mm左右才達(dá)到終點(diǎn)。這樣設(shè)計(jì)的終點(diǎn)就能順利地與刀具的下一步加工軌跡相連接，同時(shí)輪廓面也能被完整光滑地加工出來(lái)。

　　3.銳角外拐角尖角處的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　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(yùn)動(dòng)軌跡中心離開(kāi)零件實(shí)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(guān)系如表1所示。從中可以看出，當(dāng)尖角角度小于60°(D_S=2R_O)以后，D_S距離增加開(kāi)始加快，這時(shí)采用優(yōu)化刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的技術(shù)將起到很好的效果。

表1 距離與尖角角度的關(guān)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(jiǎn)介

第一步，找出刀具運(yùn)動(dòng)軌跡中“線(xiàn)與線(xiàn)”相連接點(diǎn)PT₁。

第二步，測(cè)量接點(diǎn)PT₁到零件輪廓上“線(xiàn)與線(xiàn)”接點(diǎn)PS₁間距離D_S，當(dāng)D_S=R_O(刀具半徑)時(shí)，返回第一步，繼續(xù)往下尋找，直到整個(gè)加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡查找完畢后，轉(zhuǎn)到第七步。

第三步，D_S＞R_O時(shí)，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(nèi)的線(xiàn)段截?cái)鄤h除。

第五步，用直線(xiàn)連接兩個(gè)斷點(diǎn)，形成優(yōu)化刀具運(yùn)動(dòng)軌跡。

第六步，檢查整個(gè)加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡是否查找完畢，若沒(méi)有查找完，則返回第一步。

第七步，停止工作。

　　4.復(fù)合刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　　所謂復(fù)合刀軌，是指在加工輪廓及其所包圍的面時(shí)(包圍面內(nèi)可以有保物體，如凸臺(tái)等)，為保證輪廓質(zhì)量又能使輪廓面內(nèi)得到完整的加工，設(shè)計(jì)時(shí)先按輪廓加工，再按平行軌跡加工輪廓包圍的面。為設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)出優(yōu)化刀軌。優(yōu)化算法是：

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

2.用直線(xiàn)連接起始點(diǎn)及最近的軌跡端點(diǎn)，并設(shè)該段軌跡的另個(gè)端點(diǎn)為新的起始點(diǎn)

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(jié)束優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

    通過(guò)對(duì)NC加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)中的誤差分析，討論研究了NC刀具路徑優(yōu)化問(wèn)題。找出了減少和消除設(shè)計(jì)誤差的方法，建立并開(kāi)發(fā)了優(yōu)化刀具加工路徑的算法和應(yīng)用程序，并嵌入了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的CAD/CAM系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成刀具加工路徑提供了方便。對(duì)實(shí)現(xiàn)CAD/CAM技術(shù)具有很好的參考價(jià)值。