摘要：多軸聯(lián)動數(shù)控加工
編程是大型雕塑曲面零件加工的最重要任務(wù)之一。本文介紹五軸聯(lián)動數(shù)控加工大型雕塑曲面編程中涉及到的刀位軌跡計算、切削仿真、
機(jī)床運(yùn)動碰撞仿真、后置變換等關(guān)鍵技術(shù)。針對這些技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)，實現(xiàn)了大型水輪機(jī)葉片的五軸聯(lián)動數(shù)控加工，并成為葉片加工的編程工具。
)?radg Ih5Y7<8b~ 關(guān)鍵詞：數(shù)控編程;CAM;數(shù)控加工;曲面加工
#y#TEw, =/a`X[9vI 1. 引言
a"xRc 3 $%#n* 大型雕塑零件的數(shù)控加工是一項非常艱巨的任務(wù)，如大型水輪機(jī)葉片、螺旋槳葉片等是由多張雕塑曲面組成的封閉曲面體零件，其加工面積從幾平方米到數(shù)十平方米。采用五軸聯(lián)動數(shù)控加工是目前最有效的加工方法，但是通用CAD/CAM軟件并不能完全或者很好地解決這類復(fù)雜雕塑曲面零件的五軸聯(lián)動加工編程問題[1]。大型雕塑曲面零件的數(shù)控加工編程是實現(xiàn)其數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]，它涉及加工工藝規(guī)劃、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)、計算幾何、微分幾何、人工智能等眾多學(xué)科領(lǐng)域的知識，其數(shù)控編程過程是一個數(shù)字化仿真評價及優(yōu)化的過程。雕塑曲面零件的數(shù)控編程是在幾何造型和加工工藝規(guī)劃的基礎(chǔ)上，在計算機(jī)上進(jìn)行刀位軌跡計算、仿真、優(yōu)化并驗證加工過程，以有效地生成滿足五軸聯(lián)動加工要求的高質(zhì)量數(shù)控加工程序。大型雕塑曲面零件數(shù)控加工編程涉及多方面的技術(shù)，其關(guān)鍵技術(shù)包括[1-5]：①雕塑曲面的三維幾何造型;②根據(jù)零件上各張雕塑曲面的性態(tài)，合理地進(jìn)行刀位軌跡規(guī)劃和計算;③切削仿真與
刀具干涉檢驗;④機(jī)床運(yùn)動仿真與碰撞干涉檢驗;⑤機(jī)床運(yùn)動的后置變換;
VFZyWX@#u v `/nX-> 2. 大型雕塑曲面零件數(shù)控加工編程的流程
-a_qZ7 X4:84 大型雕塑曲面零件的五軸聯(lián)動數(shù)控加工編程比一般零件加工編程復(fù)雜得多，主要采用離線編程方式。為了保證數(shù)控加工程序的可靠性，一般采用針對具體的加工對象特點(diǎn)和要求，在通用的
CAM軟件進(jìn)行二次開發(fā)來完成刀位軌跡計算、切削仿真與機(jī)床運(yùn)動仿真。各具體的雕塑曲面零件雖然有獨(dú)自的特點(diǎn)，但是這類零件的數(shù)控加工中編程過程基本一致。以大型葉片類零件為例[2]，我們在SDRC/ Camand®軟件上進(jìn)行開發(fā)實現(xiàn)的的編程過程如圖1所示。
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GjW(&p$& V+1c<LwT 3. 大型雕塑曲面五軸聯(lián)動數(shù)控加工的刀位軌跡生成
$~:ZzZO @Yb8CB 五軸聯(lián)動數(shù)控加工的刀位軌跡計算是大型雕塑曲面零件加工中一個很重要的問題，為了獲得好的表面質(zhì)量和高的加工效率，要求在零件上不同區(qū)域的曲面形狀需要采取與之相適應(yīng)的加工方式。高質(zhì)量的刀具軌跡生成方法除應(yīng)保證編程
精度和無干涉外，同時應(yīng)滿足通用性好、加工效率高、代碼量小等等條件。對于雕塑曲面的多軸聯(lián)動端銑加工，均采用行切加工方式，各種行切加工方式均可歸結(jié)為曲面上曲線的加工問題，這樣就提出了如何根據(jù)加工的曲面生成正確的刀位軌跡的問題。由曲面模型生成無干涉刀位數(shù)據(jù)主要有以下幾種方法：& #129;曲面模型→無干涉CC數(shù)據(jù)→CL數(shù)據(jù);曲面模型→多面體模型→CL數(shù)據(jù);& #402; 曲面模型→偏置面模型→CL數(shù)據(jù);& #8222; 曲面模型→CC數(shù)據(jù)→無干涉CL數(shù)據(jù)。經(jīng)分析，在大型雕塑曲面的五軸聯(lián)動加工中一般采用第& #8222;種方法生成刀位數(shù)據(jù)，其刀位數(shù)據(jù)的生成過程如圖2所示的流程。
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j8e=],sQ W ?E01"p 3.1 五軸聯(lián)動加工的刀位軌跡規(guī)劃
L T`T~|pz mp sX4 針對雕塑曲面零件的各張曲面的特點(diǎn)，進(jìn)行合理的刀位軌跡規(guī)劃和計算，是在保證加工質(zhì)量要求的前提下高效率加工出大型零件關(guān)鍵的技術(shù)之一。如大型葉片數(shù)控加工的刀位軌跡規(guī)劃中，首先應(yīng)考慮葉片的流體動力特性，確定和優(yōu)化走刀路徑。第二步應(yīng)根據(jù)葉片曲面幾何設(shè)計要求，控制和合理分配誤差[3]，采用適合各曲面的刀具幾何形狀和參數(shù)，合理確定走刀步長和走刀行距計算出刀具切觸(CC)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。大型曲面加工可采用等殘余高度規(guī)劃法搜索計算相鄰的CC軌跡，完成走刀行距計算。在大型雕塑曲面的刀位軌跡規(guī)劃中既要嚴(yán)格控制加工誤差，又要盡可能提高加工效率。目前的CNC系統(tǒng)在五軸聯(lián)動控制時一般只有線性插補(bǔ)功能，而五軸聯(lián)動加工的各軸的聯(lián)動規(guī)律是復(fù)雜的非線性關(guān)系，在CAM系統(tǒng)中，由弦弓高誤差來近似確定加工誤差和進(jìn)給步長，而沒有考慮回轉(zhuǎn)軸的擺動長度對加工誤差的影響[3]。另外在大型葉片加工中，回轉(zhuǎn)軸的擺動長度一般都相對較大，這些非線性誤差對大型雕塑曲面加工加工尤為重要[3]，可采用考慮三維非線性誤差來計算走刀步長[2]。第三步，應(yīng)根據(jù)各曲面的曲率分布情況，確定合理的刀軸控制方式等，計算刀軸矢量，實現(xiàn)五軸聯(lián)動刀位軌跡計算。
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3.2 五軸聯(lián)動數(shù)控加工的刀軸矢量計算
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