空间自由曲面五轴联动数控加工

　　刀具轴向规划是指走刀过程中刀具轴线方向按什么规律进行控制，它是影响五轴数控加工效果的一个重要因素。

　　刀具轴向规划原则是获得高的切削效率和质量，同时避免加工中可能存在的刀具干涉问题。因此，理想的刀轴控制是随曲面形状变化而对刀轴方向进行自适应调整。由于零件结构形状的千变万化，导致五轴加工刀轴控制方式也不同。较常用的五轴加工刀具轴向规划有以下3种:

　　(1)垂直于表面方式。即使刀具轴线始终平行于各切削点处的表面法矢，由刀具底面紧贴加工表面来对切削行间残余高度作最大限度的抑制，以减少走刀次数和获得高的生产效率。该方式一般用于大型平坦的无干涉凸曲面端铣加工。

　　(2)平行于表面方式。指刀具轴线或母线始终处于各切削点的切平面内，对应的加工方式一般为侧铣。这种方式的重要应用是直纹面的加工，由圆柱或圆锥形刀具侧刃与直纹面母线接触可以一刀加工成型，效率高且表面质量好。

　　(3)倾斜于表面方式。该方式由刀轴矢量在局部坐标系中与坐标轴和坐标平面所成的两个角度4和Y定义，。称为前倾角，为刀轴矢量与垂直于进给方向的平面所成角度，可在端铣加工凹面时防止干涉;,Y称为倾斜角，定义为刀轴与曲面法矢的夹角，不属某个截面，位于以法矢为轴线，Y为顶角的圆锥L，但可由a角及指定沿走刀方向的左、右侧来确定刀轴的空间方向。倾斜方式是五坐标加工的一般控制方式，垂直于表面方式和平行于表面方式均可看成它的特殊情况。例如，垂直于表面方式即等价于α＝γ＝０。

　　对于零件上不同形式的复杂曲面，根据以上三种刀轴控制策略的特点和适用范围可选择适当的刀轴控制方式进行五轴联动加工，能够大大提高加工效率和表面质量。

　　3.3 刀具干涉检测

　　数控加工中的干涉可以分为以下3种类型阴:

　　(1)刀具的切削刃和工作表面的干涉，即局部刀具过切干涉;

　　(2)非切削刃和工件表面的于涉，如刀杆和夹具、工件间的碰撞，即全局刀具干涉，又叫碰撞。

　　(3)机床各坐标轴的工作行程于涉，它发生在机床坐标轴超出其工作范围而不能有效地加工。

　　其中，最后一种即机床各坐标轴工作行程的干涉不属于刀具干涉比较容易判断和处理。在曲面的数控联动加工中，刀具的方向确定后，局部刀具过切和全局刀具干涉时有发生，应进行干涉检查。

　　刀具干涉的检测与处理的方法主要有以下5种:

　　①凸包法:应用曲面的凸包性来解决复杂曲面五轴加工中干涉问题的算法。首先构造曲面的控制网格顶点所对应的凸包，判断现行的刀具方向与凸包之间有无交点，若没有交点，则说明该刀具方向是可行的，否则，刀具与相邻曲面片有可能干涉，需要对筛选出的潜在干涉凸包进一步用点涉法进行检测，从而确定出无全局干涉的刀轴定位。

　　该算法利用曲面的凸包对全局干涉进行粗检，排除了大量与当前干涉计算无关的曲面片，从而大大减少了刀具干涉检测的计算量，干涉检查效率较高。

　　②距离计算法:通过计算刀具与加工曲面之间的距离来解决复杂曲面五轴加工中干涉的算法。首先将曲面离散成三角平面片集，通过计算刀具中心到三角平面片的距离来判断是否存在刀具干涉。该算法计算简单，算法运行稳定可靠，应用面)“。但当加工曲面需要高精度离散时，生成的数据量会急剧增加，干涉避免计算时间也会大大增长。

　　③只角片离散法:种通过将刀具和加工曲面离散成三角面片集并求交来解决复杂曲面五轴加工中干涉问题的算法。先将刀具和曲面离散成三角平面片集合，之后对两个三角平面片集合进行几何求交，判断是否存在干涉。

　　该算法计算量较大，当刀轴矢量需要调整时，需要重新进行投影计算，不便于确定无干涉的刀轴矢量。

　　④偏置面法:由于球面具有法矢自适应性一一面上任意一点的法矢与球心共线一这一特点，因而一个球面体可以包络出任意个小于自身曲率的曲面。在包络过程中，球心所走过的轨迹，就是该曲面的偏置面。偏置面法首先构造被加工曲面的偏置面，分析此偏置面的几何形状。当加工曲面的偏置表面产生相交、重叠和间隙等现象时，刀具将在该区域产生干涉现象。通过对偏置表面进行裁剪和修补，用修正后的偏置表面来控制刀具的走刀运动，即可消除加工干涉现象。

　　然后在偏置面上进行刀具路径规划。由于在偏置面上进行路径规划时不再需要考虑干涉问题，因此路径生成算法灵活。尽管偏置面法在球面刀的数控编程中是行之有效的，但是对于形状各异的非球面刀而言，则显得无能为力。由于非球面刀不具备球面刀法矢自适应的特点，因而，不能采用偏置面法来确定非球面刀在空间自由曲面上的刀位轨迹。

　　⑤包络面法:首先构造刀具沿切削路径运动的包络面，然后计算包络面与被加工曲面的几何关系以判断干涉。刀具运动包络面生成后，可按刀具扫描体与零件毛坯的实体求交运算，或以密集的曲面法矢与刀具扫描体求交，来判断是否存在干涉。该算法是在求取刀具扫描体的基础卜进行的，因此主要应用于刀具路径的仿真检测。当干涉发生后，刀轴矢量的调整采用其它方式进行。