空间自由曲面五轴联动数控加工

1 引言

　　曲面可分为规则曲面和不规则曲面两类。规则曲面，可看作是一条母线按照一定规律运动所形成的轨迹，即初等解析曲面，如平面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面等，大多数机械零件属于这一类。而不规则曲面不能由初等解析曲面组成，而是以复杂方式自由地变化的曲线曲面即自由型曲线曲面组成，如飞机、汽车及船舶设计制造中会遇到大量的空间自由曲面问题，这些曲面早期只能用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达。近几十年来，随着实际设计问题对自由曲面建模提出的新要求，基于数学表现形式的曲线曲面拟合方法得到了快速的发展，使得计算机能够方便地处理空间白由曲面问题。

　　早期数控编程的对象主要是初等解析曲面，但随着汽车、航天、造船和模具等工业的发展及产品个性化需求的口益增多及反求工程的广泛应用，零件表面形状变得越来越复杂，加工质量要求也不断地提高，普通的二轴联动数控加工已不能满足要求，而五轴数控加工给曲面加工带来了更多的灵活性，在复杂曲面加工中得到了越来越广一泛的使用。然而在五轴数控加工中两个旋转自由度的增加使得刀具方向不断变化，刀具和曲面的过切干涉和碰撞干涉时有发生，且干涉问题也比传统气轴加工方法复杂得多。因此空间自由曲面的五轴联动数控加工几多年来一直是一个研究热点。

2 五轴数控机床的运动方式

　　五轴加工机床具有直线坐标轴和旋转坐标轴，可以五轴联动加工。五轴加工机床之间的区别，除了有立式、卧式之分外，则主要还在于倒门实现五轴运动的结构型式和五个运动的配置上。当前常见为三个平动轴加两个转动轴的组合方式，由于这样的方式可以比较白然地从二轴平动的传统机床过渡，也方便加_工各种工件，同时在加工程序编制方面也相对较为简便一些，三平动二转动的组合方式应用在机床结构设计上主要可以分为以下三类:(1)双摆头机床，即两个旋转轴旋转;(2)双转台机床，即两个转台旋转;(3)摆头及转台机床，即一个转轴和一个转台旋转〕由于双转台机床的刚性好，而且旋转坐标有足够的行程范围，工艺性能好，所以目前大多数五轴加工中心都采用这一结构。

　　有的五轴联动加工中心有立、卧两个主轴。卧式加工时立式主轴退回;立式加工时卧式主轴退回，立式主轴前移，工作台可以上下、左右移动和在两个坐标方向转动，刀库为多盘式结构，位于立柱的侧面。这种机床在一次装夹时可加工五个面，适用于模具、壳体、箱体、叶轮、叶片等复杂零件的加工。

3 五轴联动数控加工刀具路径规划策略

　　五轴联动数控加工刀具路径规划是五轴数控加工技术的核心技术，也是实现五轴联动加工过程中最重要的步骤之一。路径规划包括以下儿个部分:刀位规划、刀具轴向规划、刀具干涉检测、后置处理、加工运动控制。其中前三部分是五轴联动数控加工刀具路径规划阶段必须处理的问题‘

　　3.1 刀具路径规划基本方法

　　刀具路径用以描述切削刀具相对于工件运动的轨迹1刀具路径质量的高低将直接影响加工效率和加工精度，因此一直是数控加工领域研究的重点。现有较典型的刀具路径规划方法有以「几种:

　　(1)参数线法。如图1所示，切削行沿曲面的参数线分布，适用于曲面参数线分布较均匀的曲面的加工。在加工中，刀具的运动分为沿切削行的走刀和沿切削行的进给两种运动。刀具沿切削行走刀时所覆盖的一个带状曲面区域，称为加工带。首先沿切削行的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。这种方法自然且简单，因此使用也最广泛。由于参数空间与笛卡尔空间的非线性关系，曲面上的参数线分布并不均匀。参数线法生成刀具轨迹的加工效率并不高，但计算量小。基干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，参数线的差分算法及参数线的对分算法等。

　　(2)CC(刀具接触点)路径截面线法。如图2所示，CC路桂截面线法在走刀过程中，将刀具与被加工曲面的接触点始终约束在另外一组曲面内，即用一组约束曲面与被加工曲面的截交线作为刀具接触点路径来生成刀具路径。CC路径截面线法对走刀路线的控制比较灵活，所生成的刀具接触点轨迹分布均匀，从而具有较高的加工效率，适合于参数线分布不均匀的曲面加工、型腔加工及复杂组合曲面的加工。缺点是需要求交运算、算法较复杂、计算量较大。

图2 CC路径截面线法

　　(3)CL(刀位点)路径截面线法。当刀具接触点遍历整个加工表面时，由其相应的刀位点构成的曲面称为刀具偏置面，它是全部刀位点的集合。在走刀过程中，直接将刀具运动轨迹(刀位点)约束在另外的一组曲面内，相当于用一组约束曲面与被加工曲面的刀具偏置面的截交线作为刀具轨迹，如图3所示。CL路径截面线法与CC路径截面线法的特点基本类似:对走刀路线的控制灵活，生成的刀具轨迹分布均匀，具有较高的加工效率，特别适用于具有边界约束的曲面型腔加工及复杂组合曲面的连续加工。缺点是计算量大、在被加工面为复杂的自由曲面和非球头刀具加工的情况下求截交线较为困难。

图3 CL路径截而线法

　　(4)导动面法。通过引人导动面来对走刀过程进行约束，使走刀过程中刀具始终保持与被加工表面(零件面)与导动面相切。代表是APT的刀具轨迹生成算法。缺点是数值迭代计算量较大，并存在迭代是否收敛的稳定性问题。一般多用于对组合曲面的交线进行清根处理。如图4所示。

图4导动面法