加工中心多坐标铣削加工刀具轨迹生成

削加工刀具轨迹生成相关内容概述

  多坐标数控铣削的加工对象，多坐标数控铣削加工可以解决任何复杂曲面零件的加工问题。根据零件的形状特征进行 分类，可以归纳为如下几种加工对象（或加工特征）：多坐标点位加工、空间曲线加工、曲 面区域加工、组合曲面加工、曲面交线区域加工、曲面间过渡区域加工、裁剪曲面加工、复杂多曲面加工、曲面型腔加工、曲面通道加工。

刀具轨迹生成方法

—种较好的刀具轨迹生成方法，不仅应该满足计算速度快、占用计算机内存少的要求，更重要的是要满足切削行距分布均勻、加工误差小、走刀步长分布合理、加工效率高等要求。目前，比较常用的刀具轨迹生成方法主要有如下几种。

参数线法——适用于曲面区域和组合曲面的加工编程。

截平面法——适用于曲面区域、组合曲面、复杂多曲面和曲面型腔的加工编程。

回转截面法一适用于曲面区域、组合曲面、复杂多曲面和曲面型腔的加工编程。

投影法一适用于有干涉面存在的复杂多曲面和曲面型腔的加工编程。

三坐标球形刀多面体曲面加工方法一适用于三角域曲面的加工编程。

与刀具轨迹生成有关的几个基本概念切触点（cutting contact point)指刀具在加工过程中与被加工零件曲面的理论接触点。对于曲面加工，不论采用什么刀具，从几何学的角度来看，刀具与加工曲面的接触关 系均为点接触。切触点曲线（cutting contact curve)指刀具在加工过程中由切触点构成的曲线。 切触点曲线是生成刀具轨迹的基本要素，既可以显式地定义在加工曲面上，如曲面的等参数线、二曲面的交线等，也可以隐式定义.使其满足一定约束条件，如约束刀具沿导动线运 动，而导动线的投影可以定义刀具在加工曲面上的切触点，还可以定义刀具中心轨迹，切触点曲线由刀具中心轨迹隐式定义。这就是说，切触点曲线可以是曲面上实在的曲线，也可以是对切触点的约束条件所隐含的“虚拟”曲线。

 刀位点数据（cutter location data,简称为CLData) 指准确确定刀具在加工过程 中的每一位置所需的数据。一般来说，刀具在工件坐标系中的准确位置可以用刀具中心点和刀轴矢量来进行推述，其中刀具中心点可以是刀心点，也可以是刀尖点，视具体情况而定。

刀具轨迹曲线指在加工过程中由刀位点构成的曲线，曲线上的每一点包含一个刀 轴矢量。刀具轨迹曲线一般由切触点曲线定义刀具偏置计算得到，计算结果存放于刀位文件 (CLData file)之中。

导动规则指曲面上切触点曲线的生成方法（如参数线法、截平面法）及一些有关 加工精度的参数，如步长、行距、两切削行间的残余高度、曲面加工的盈余容差（out tol-

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erance)和过切容差（inner tolerance)等。刀具偏置（tool offset)指由切触点生成刀位点的计算过程。

4.曲面加工刀具轨迹生成计算过程

由以上定义，可以将曲面加工刀具轨迹的计算过程简略地表述为：给出一张或多张待加 工曲面（零件面），按导动规则约束生成切触点曲线，由切触点曲线按某种刀具偏置计算方法生成刀具轨迹曲线。由于-•般的数控系统有线性、圆弧等少数几种插补功能，所以一般需 将切触点曲线和刀具轨迹曲线按点串方式给出，并保证加工精度。在个别情况下也有例外， 如用球形刀三坐标加工比较光顺的曲面时，可以直接根据曲面计算得到其等距面，刀具轨迹曲线完全由等距面确定。这时切触点曲线的定义和刀具偏置计算融合在等距面的构造过程中，导动规则约束了等距面的离散，即刀位点的生成过程。

(二）多坐标铣削加工刀具轨迹生成

1.参数线轨迹生成法

曲面参数线加工方法是多坐标数控加工中生成刀具轨迹的主要方法，特点是切削行 沿曲面的参数线分布，即切削行沿u线或v线分布，适用于网格比较规整的参数曲面的加工。

基于曲面参数线加工的刀具轨迹计算方法的基本思想是利用Bezier曲线曲面的细分特性，将加工表面沿参数线方向进行细分，生成的点位作为加工时刀具与曲面的切触点。因此，曲面参数线加工方法也称为Bezier曲线离散算法。

Bezier曲线离散算法按照离散方式可分为四叉离散算法和二叉离散算法。由于前者占用 的存储空间大，因此在刀具轨迹的计算中一般采用二叉离散算法。

在加工中，刀具的运动分为切削行的走刀和切削行的进给两种运动。刀具沿切削行 走刀所覆盖的一个带状曲面区域，称为加工带。二叉离散过程首先沿切削行的行进给方向对曲面进行离散，得到加工带，然后在加工带上沿走刀方向对加工带进行离散，得到切削行。

二叉离散算法要求确定一个参数线方向为走刀方向，假定为u参数曲线方向，相应的另 一参数曲线v方向即为切削行的行进给方向，然后根据允许的残余高度计算加工带的宽度； 并以此为基础，根据v参数曲线的弧长计算刀具沿v参数曲线的走刀次数（即加工带的数 量）；加工带在v参数曲线方向上按等参数步长（或局部按等参数步长）分布。球形刀与环 行刀加工带宽的计算方法不同。

基于参数线加工的刀具轨迹计算方法有多种，比较成熟的有等参数步长法、参数筛选 法、局部等参数步长法、参数线的差分箅法及参数线的对分箅法等，等参数步长法最简单的曲线离散算法是等参数步长法，即在整条参数线上按等参 数步长计算点位。参数步长和曲面加工误差没有一定关系，为了满足加工精度，通常步长的取值偏于保守且凭经验。这样计算的点位信息比较多。由于点位信息按等参数步长计算，没有用曲面的曲率来估计步长，因此，等参数步长法没有考虑曲面的局部平坦性。但这种方法计算简单，速度快，在刀位计算中常被采用。参数筛选法按等参数步长法计算离散点列，步长取值使离散点足够密，然后按曲面的曲率半径、加工误差从离散点列中筛选出点位信息。参数筛选法克服了等参数步长的缺点，但计算速度稍慢一些。这个方法的优点是计算的点位信息比较合理且具有一定的通 用性。局部等参数步长法在实际应用中，也常采用局部等参数步长离散算法：即加工带在v参数曲线方向上按局部等参数步长（曲面片内）分布；在走刀路线上，走刀步长根据容差进行计算，方法是在每一段U参数曲线上，按最大曲率估计步长，然后按等参数步长进行 离散。采用局部等参数步长离散算法来求刀位点，不仅考虑了曲率的变化对走刀步长的影响，而且计算方法也比较简单。参数线的差分算法对于走刀路线上的一批等参数步长离散点的位置，采用向前差 分方法将大大加快计算速度。其基本的步骤如下。

   求u线方程。

  计算插值点的差分公式。参数线的差分算法是效率较高的局部等参数步长离散算法， 在参数曲面加工的刀具轨迹计算中应用较为广泛。

  参数线的对分算法参数线的对分算法是曲线离散算法的一种，即在曲线离散算法 中，在曲线段参数的中点将曲线离散一次，得到两个曲线段。参数线的对分算法适用于刀具轨迹的局部加密（在刀具轨迹的交互编辑中可用到）。

4.投影法（图3-59)

投影法加工的基本思想是使刀具沿一组事先 定义好的导动曲线运动，同时跟踪待加工表面的形状。导动曲线在待加工表面上的投影一般为切 ®³"⁵⁸   触点轨迹，也可以是刀尖点轨迹。切触点轨迹适

合于曲面特征的加工，而对于有干涉面的场合， 限制刀心点更为有效。由于待加工表面上每一点的法矢均不相同，因此限制切触点轨迹不能 保证刀尖轨迹落在投影方向上，所以限制刀尖容易控制刀具的准确位置，可以保证在一些临界位置和其他曲面不发生干涉。导动曲线的定义依加工对象而定。对于曲面上要求精确成形的轮廓线，如曲面上的花纹、文字和图形，可以事先将轮廓线投影到工作平面上作为导动曲线。多个嵌套的内环与一个外环曲线作为导动曲线可用于限制曲面上的加工区域。对于曲面型腔的加工，便可采用平面型腔的加工方法：首先将型腔底面与边界曲面和岛屿边界曲面的交线投影到工作平面上，按平面型腔加工方法生成一组刀具轨迹，然后将该刀具轨迹投影到型腔曲面上，限制刀尖位置，便可生成曲面型腔型面的刀具轨迹。