基于特征的数控加工刀具路径参数化设计

0 引言

　　刀具轨迹的设计是零件数控加工中最重要同时也是研究最为广泛深入的内容，能否生成有效的刀具轨迹直接决定了加工的可能性、质量与效率，尤其在数控加工技术飞速发展的今天，对刀具轨迹的研究与优化显得极其重要。当前许多CAD/AM系统都采用了基于特征的设计技术，由于特征包含了设计、制造过程中有关的信息，因此它为实现CAD/CAPP/CAM之间的无缝集成奠定了基础。在实际应用中。从不同的应用角度可以形成不同的特征模型，而形状特征是描述零件的最主要特征模型，它是其它特征模型的基础川。任何一个零件，从其组成结构来看，都可看成为是由多个形状特征堆积而成，因此，在对零件进行刀具路径规划时，可以将特征作为设计单元对零件进行刀具路径规划，而每一类特征均可通过一组参数来描述，因此，为了提高设计效率和设计的通用性，本文提出了一种基于特征的参数化刀具轨迹设计技术。

1 基于特征的参数化刀具路径设计

　　基于特征的参数化设计，即参数化特征造型，意在将基于特征的设计方法和参数化设计的方法有机的结合起来，以特征为操作单位，并对特征信息参数化．从而使得特征的几何和拓补信息具有可调整性。体现了设计的高效性。

　　1.1 特征的定义及分类

　　特征是组成零件的功能要素，它定义实体零件的拓补结构并描述零件的物理特性，包括零件的面、外形、尺寸和孔、槽、型腔、凸台的位置及其它特征，我们通常所指的特征主要是指形状特征，它是一个包含工程含义或意义的几何原型外形，不是普通的体素，而是一种封装了各种属性和功能的功能要素，它具有工程含义的几何实体，它表达的产品模型兼含语义和形状两方面的信息，它携带和传递有关设计和制造所需要的工程信息，是组成机械零件实体模型的基本单元，体现了产品的功能要素和工程含义，是描述产品信息的集合。新的特征可以由旧的特征继承得来，并加入所需的新的信息，一般是对形状特征的扩充。

　　在机械领域进行特征的分类，可以用零件或体素的几何相似性，兼顾各要素的功能和形状。进行分组分类处理．提取、制定体素规范和图素规范。目前尚无统一的特征分类方法，一般来说有形状特征、材料特征、精度特征、工艺特征等。形状特征有不同的分类方法，可以将各种槽、凹坑、凸台、孔、壳、壁等作为形状特征。对于不同的应用，特征的表现形式也是不同的。建立产品的特征模型，其核心内容是形状特征的表示与引用。形状特征最湿著的标志就是：在标准的产品几何信息模型基础上，附加了隐式的制造或工艺等语义信息。因此特征的研究很多事集中在形状特征上，这里仅介绍形状特征的分类。根据形状特征在零件中所发挥的作用不同，可以分为主形状特征和辅助形状特征，如图1所示特征简单分类。

图1 零件形状特征的分类

　　1.2 特征参数

　　特征的参数一旦确定，特征的形状也就确定了，所以也就给我们实现参数化的方法。对于常见的形状特征来说，槽所具有的特征包括长、宽、高、深度、壁厚以及倒角等，这些参数一旦确立槽也就确定了；同样的道理。对于孔来说，它的参数包括圆的半径和孔的深度等；曲面的参数包括各控制顶点及相应权因子和顶点向量等。特征及其对应参数如表1所示。

　　1.3 刀具路径参数化设计与轨迹的生成

　　当将特征分类后，分别为每类特征设计其刀具轨迹，对于不同的特征采用不同的刀具轨迹规划方法。在实际加工中，某些制造特征常常需要经过多道工步加工，因此在进行这些特征刀具轨迹规划之前，要分析每类特征数控加工时的工艺特点，例如对于平面类、曲面类、孔类等规则的制造特征，它们的粗加工与精加工的走刀轨迹相似，仅刀具半径补偿值、长度补偿值或某个进刀方向的尺寸有所不同，在设计它们的走刀轨迹模型时，是以特征的精加工轮廓尺寸来进行规划的，即它们粗加工、精加工刀具轨迹都是通过该特征的精加工走刀轨迹模型自动产生的。例如对曲面来说，曲面用曲线离散化，就生成了刀触轨迹曲线。在刀触轨迹曲线任意一点r(u_c，v_c)上进行刀具补偿后，刀触轨迹曲线就生成了刀具轨迹曲线，在这里我们以球头铣刀为例进行曲面加工，并设铣刀半径为R，为保证加工的表面质量，应从工件的边界外进刀和退刀，所以在刀触轨迹曲线任意一点上加上刀具半径后，就生成了刀具轨迹刀位点：(u_c，v_c)=r(u_c，v_c)+R·n(u_c，v_c)式中n(u_c，v_c)为点r(u_c，v_c)处的单位法矢量；而对于台阶、槽等特征来说，由于其粗加工的目的主要是去除实体上的多余材料，以初步形成制造特征的几何轮廓，而精加工是在形成的几何轮廓上进行，所以其粗、精加工的走刀轨迹有所不同，则对于这类特征，分别设计了其粗、精加工的走刀轨迹模型。在生成每个特征的走刀轨迹模型时，采用的一般原则是：在保证零件加工精度和表面粗糙度的前提下，缩短进给路线，减少空行程，使得刀具路径最短，加工效率最高。例如，对于平面、台阶类等规则类特征，其走刀轨迹之间采用往复式双向的行切法，并尽量减少相邻走刀轨迹之间的重复搭接量；对于槽，采用行切和环切相结合的方式走刀。图2是数控加工中基于特征的刀具路径参数化设计流程图。在人机交互模式下，以面向对象的开发环境为基础，通过借助特征数据库中的参数和特征刀具路径规划知识库来实现刀具轨迹的生成，最后通过改变特征参数来验证参数化设计的有效性、高效性及合理性。

图2刀具路径参数化设计流程圈