（机械设计及理论专业论文）自由曲面五坐标nc加工刀具轨迹生成技术的研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 7 自由曲面广泛用于表达复杂零件形状，寻求有效的以自由曲面为表面的零件 的加工方法一直是n c 加工领域研究的重点。五坐标数控加工由于其能得到比三 坐标数控加工更高的加工效率和更好的加工表面质量，已经在航空、汽车、模 具制造业等领域得到十分广泛的应用。然而，由于五坐标加工中复杂的刀具运 动，其n c 编程过程比较复杂，影响了它的推广应用。 本文以端铣刀为对象，系统地研究了自由曲面五坐标数控加工n c 编程中的 相关理论和关键技术。提出了刀具的刀刃包络面的计算方法，并推导出刀具的 刀刃包络面的有效曲率。以此为基础，进行刀具姿态的优化和刀具轨迹的规划。 针对传统刀具姿态计算方法的不足，本文提出了刀具姿态计算的新方法。该 方法从提高切削效率出发，根据瞬时刀位被加工曲面与刀具的刀刃包络面之间 的关系，在保证刀具不与被加工曲面发生干涉的基础上，使得刀具的刀刃包络 面与被加工曲面在刀触点处每个方向的曲率尽可能相吻合，以获得最大加工带 宽，降低残留高度。 本文提出了确定刀具走刀方向的新方法，该方法根据尽可能获得最大的加工 带宽这个要求使刀具的有效切削刃尽可能地逼近被加工曲面。然后提出了一 种保持残留高度恒定的刀具轨迹生成算法。该算法中步长的计算是通过对刀触 点轨迹进行弧弦逼近，由弦弓高误差控制加工误差来得到的。而在计算行距时， 一方面为了使生成的轨迹保持残留高度恒定，引入短程线的概念，用短程线的 曲率半径代替曲面沿行距方向的法曲率半径；另一方面，为了加大加工带宽， 降低残留高度，用刀具刀刃的包络面的有效切削半径作为刀具半径代替传统的 用圆或椭圆的半径作为刀具半径的方法。由此生成的刀具轨迹加工效率高，加 工表面质量好。 在进行刀具姿态优化和刀具轨迹规划的同时，还要考虑刀具的干涉问题。对 于全局干涉，首先判断刀具的可行方向，再计算干涉点到刀具轴线的距离来处 理；而局部干涉的处理是通过计算刀具的偏置圆柱面与被加工面的偏置面的交 线来判断刀具尾部与被加工面是否发生干涉。以及根据刀具底平面与三角面片 的顶点之间的相对位置来判断刀具底部与被加工面是否发生干涉，如果被检测 的三角形有个顶点位于刀具底平面之上，就表明发生了干涉。当检测到干涉 后，通过调整刀具姿态以消除干涉。该过程一直进行到所有的刀触点都被检测 到为止。为了提高算法的效率，被加工曲厦首先被离散成三角面片，并且建立 刀具包围盒。 华中科技大学博士学位论文 为了验证刀具轨迹规划的结果，本文以扩展z b u f f e r 模型为基础，提出了 自由曲面五坐标n c 加工过程仿真算法。由于零件毛坯、刀具体以及刀具扫描体 采用简单的长方体单元来表达，且各长方体单元具有相同的网格状态分布，从 而将加工过程仿真中零件毛坯与刀具扫描体之间复杂的三维布尔差运算转化为 各长方体单元之间的一维布尔差运算，避免了复杂的求交运算，使得该算法表 达简单、数据量小、运算速度快、便于真实感图形显示。 基于以上理论研究工作和研究成果厂开发了一个n c 编程原型系统。并成功 地实现了基于上述算法的自由曲面五坐标数控加工无干涉刀具轨迹的生成，以 及真实感图形仿真结果。 关键词：自由曲面，五坐标n c 加工，环形刀，刀具姿态 n c 加工仿真 ， 泞涉，刀具轨迹， n 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t s c u l p t u r e ds u r f a c e sh a v eb e e nu s u a l l yu s e dt or e p r e s e n tt h ec o m p l e xp a r t s t o f i n da ne f f i c i e n tm e t h o df o rs c u l p t u r e ds u r f a c e sm a c h i n i n gh a sb e e nar e s e a r c ht o p i c i nn u m e r i c a l l yc o n t r o l l e d ( n c ) m a c h i n i n g f i v e a x i sn cm a c h i n i n gi su s e di naw i d e v a r i e t yo fa p p l i c a t i o n si na e r o s p a c e a u t o m o t i v e d i e sa n dm o u l d si n d u s t r i e sf o ri t s h i g h e rp r o d u c t i v i t y a n db e t t e r m a c h i n i n gq u a l i t y o v e rt h r e e - a x i sn cm a c h i n i n g h o w e v e r ，t h ep r o g r a m m i n go ff i v e a x i sn cm a c h i n i n gi sv e r yd i f f i c u l td u et ot h e c o m p l i c a t e d t o o lm o v e m e n t s w h i c ha f f e c t si t sa p p l i c a t i o n s t h i sr e s e a r c hf o c u s e so nd e v e l o p i n gas y s t e m a t i cm e t h o d o l o g yo fn ca u t o m a t i c p r o g r a m m i n g f o rf i v e - a x i ss u r f a c em a c h i n i n gw i t ha ne n d m i l l t h i st h e s i sp r e s e n t sa n e wm e t h o dt oc o m p u t et h ee n v e l o po ft h eb o u n d a r yo ft h eb a s eo ft h ef i l l e t e d e n d c u t t e r c l o s e df o r me x p r e s s i o n sh a v eb e e nd e r i v e df o rc o m p u t i n ge f f e c t i v ec u t t i n g c u r v a t u r e ，w h i c hi st h eb a s eo fo p t i m a lc u t t e ro r i e n t a t i o n sa n dt o o lp a t hg e n e r a t i o n t h i st h e s i s p r e s e n t s an e wa l g o r i t h mf o r d e t e r m i n i n g c u t t e ro r i e n t a t i o n so f f i v e a x i sm a c h i n i n g i no r d e rt og e tt h el a r g e s tm a c h i n e ds t r i pw i d t ha n dt h el o w e s t s c a l l o ph e i g h t sl e f tb y t h ec u t t e rm o v e m e n t s ，b a s e do nt h ec o n d i t i o nf o ra v o i d a n c eo f l o c a lg o u g i n g ，t h ea l g o r i t h mm a k e st h ee f f e c t i v ec u t t i n gc u r v a t u r ea n dt h ee f f e c t i v e s u r f a c ec u r v a t u r et h ec l o s e s tm a t c h i na l ld i r e c t i o n si nt h e t a n g e n tp l a n eo ft h e d e s i g n e ds u r f a c ea t t h ec cp o i n t ，a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o nb e t w e e nt h e d e s i g n e d s u r f a c ea n dt h ee n v e l o po ft h eb o u n d a r yo ft h eb a s eo ft h ec u t t e r e x p r e s s i o n s f o rt h eb e s t m a c h i n i n gd i r e c t i o nw h i c hr e m o v e st h em a x i m u m a m o u n to fm a t e r i a lh a v eb e e nd e r i v e db a s e d0 nt h eb e s tm a t c hb e t w e e ne f f e c t i v e c u t t i n g c u r v a t u r e sa n de f f e c t i v es u r f a c ec u r v a t u r e s t h i st h e s i st h e n p r e s e n t s a c o n s t a n ts c a l l o p - h e i g h tt o o lp a t hg e n e r a t i o na p p r o a c hf o rf i v e a x i sn c m a c h i n i n g o f s c u l p t u r e d s u r f a c e s ：t h e s t e pl e n g t h c a nb ec a l c u l a t e d b y l i n e a r t o o l p a t h i n t e r p o l a t i o n ，a n d t h e p a t h i n t e r v a lc a nb ec a l c u l a t e dt o e x p l o i t t h er a d i u so f c u r v a t u r eo fag e o d e s i cc u r v ea n dt h ee f f e c t i v ec u t t i n gr a d i u so ft o o ls w e e ps u r f a c e t h e r e f o r e ，as e r i e so ft o o lp a t h sa r eg e n e r a t e d ，w h i c ht h ed e s i r e ds c a l l o ph e i g h ti s m a i n t a i n e da n dt h em a c h i n i n gs t r i pw i d t hi sb i g g e r t 0 0 1i n t e r f e r e n c em u s tb ec o n s i d e r e dw h e nd e t e r m i n i n gc u t t e ro r i e n t a t i o n sa n d p l a n n i n gt o o lp a t h s i nt h i st h e s i s ，g l o b a lt o o li n t e r f e r e n c ed e t e c t i o na n dc o r r e c t i o ni s s o l v e db yf i r s t d e t e r m i n i n gf e a s i b l e t o o l a p p r o a c hd i r e c t i o n ，t h e nc a l c u l a t i n gt h e i j i 华中科技大学博士学位论文 d i s t a n c eb e t w e e nt h et o o la x i sa n dt h ep a r ts u r f a c e t h el o c a lt o o lg o u g i n gd e t e c t i o ni s i m p l e m e n t e db yc a l c u l a t i n g t h ei n t e r s e c t i o nb e t w e e nt h eo f f s e ts u r f a c eo ft h e m a c h i n e ds u r f a c ea n dt h eo f f s e tc y l i n d e ro ft h ec u t t e rf o ral o wc u r v a t u r es u r f a c e ，a n d f o rc a s e so fah i g hc u r v a t u r es u r f a c e ，r e a r g o u g i n gi s d e t e c t e db yc l a s s i l y i n gt h e r e l a t i v ep o s i t i o no ft h eb o t t o mp l a n eo ft h ec u t t e ra n dt h ev e r t i c e so ft h et r i a n g u l a r f a c e t s i fo n eo ft h ev e r t i c e so ft h et r i a n g l e su n d e rt h eb o u n d i n gb o xf o rt h et o o li s a b o v et h eb o t t o mp l a n eo ft h ec u t t e r ，r e a rg o u g i n gw i l lh a p p e n i f a n yr e a rg o u g i n gi s d e t e c t e d ，t h e c u t t e ro r i e n t a t i o ni s a d j u s t e d t oe l i m i n a t e g o u g i n g t h ep r o c e s s c o n t i n u e su n t i la l lt h ec cd a t aa r ec h e c k e d ap a r ts u r f a c ei sf i r s ta p p r o x i m a t e db y t r i a n g l e sa n d ab o u n d i n gb o xi sc o n s t r u c t e dt os p e e dt h es e a r c hp r o c e s s t ov e r i f yt h er e s u l t so ft o o lp a t hp l a n n i n g ，t h i st h e s i sp r e s e n t sa na l g o r i t h mf o r f i v e a x i sn c m a c h i n i n gp r o c e s ss i m u l a t i o nb a s e do nt h ee x t e n d e dz b u f f e rm o d e l s a w o r k p i e c e 、a t o o la n dat o o ls w e p tv o l u m ea r er e p r e s e n t e d b yu s i n gd e x e lm o d e l a t ag i v e n p r e c i s i o n ，c o m p l e x 3 - d i m e n s i o nb o o l e a no p e r a t i o n sa r et h u sr e d u c e dt o 1 一d i m e n s i o n t h ea l g o r i t h mi ss i m p l e ，t h es i m u l a t i o ns p e e di sf a s t a n di ti ss u i t e dt o r e a l - t i m ed i s p l a y 。 o nt h eb a s i so fa b o v em e n t i o n e dr e s e a r c hw o r k sa n da c h i e v e m e n t s ，an c a u t o m a t i cp r o g r a m m i n gp r o t o t y p es y s t e mi s d e v e l o p e d t h ei n t e r f e r e n c e - f r e et o o l p a t h s h a v e b e e n s u c c e s s f u l l yg e n e r a t e d b a s e do nt h e d e v e l o p e dm e t h o d ，a n d r e a l - t i m en c m i l l i n gs i m u l a t i o nh a sb e e ni m p l e m e n t e d k e yw o r d s ：s c u l p t u r e d s u r f a c e sf i v e a x i s n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e d ( n c ) m a c h i n i n g af i l l e t e d e n d c u t t e rc u t t e ro r i e n t a t i o n s t o o li n t e r f e r e n c et o o lp a t h sn c s i m u l a t i o n i v 华中科技大学博士学位论文 i i i 1 绪论 1 1 课题的提出及其研究意义 随着全球制造企业之间的竞争越来越激烈，决定制造企业全球竞争能力的 主要指标是产品的开发时间( t i m e ) 、质量( q u a l i t y ) 、成本( c o s t ) 以及相应的服 务( s e r v i c e ) ，即t q c s 。在这种激烈竞争的严峻形势下，传统的制造方法已无法 满足市场瞬息多变的要求。随着微电子技术和计算机技术的高速发展，制造业 发生了根本性的变化，其中一个重要标志就是数控( n c n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e d l 技术的广泛应用，普通机床逐渐被高精度、高性能、高效率的n c 机床所代替。 n c 技术对实现制造业的柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用，它 广泛应用于机械、汽车、航空、船舶、材料、军工等国民经济的支柱产业，在 国民经济中发挥着巨大的作用，已经成为衡量一个国家制造业水平的重要标志 之一。 n c 编程是n c 技术中与n c 系统，驱动系统并驾齐驱，同等重要的组成部 分。因此，从n c 机床诞生之初，n c 编程技术就受到了广泛的关注，成为 c a d c a m 系统中的重要组成部分，各工业发达国家纷纷投入了大量的人力物力 进行开发和应用。 在国内，许多企业也投资了c a d c a m 项目，但是，一方面，国外软件操 作复杂，不但要求使用者具有较高的n c 加工经验，而且要求使用者具有较高的 计算机水平和英语水平：另一方面，国外软件企业主要通过国内代理销售，由 于客观原因，多数技术支持能力不是特别强，响应缓慢。 近年来，随着改革开放的深入，面对激烈的市场竞争，国内制造企业迫切 要求配备功能完备、价格低廉、学习简便和技术支持好的c a d c a m 软件，这 样就形成了强大的经济实用型c a d c a m 软件市场需求。而且，自2 0 世纪9 0 年代以来，国内对n c 机床需求旺盛，现在年均需求在1 5 万台以上，加入w t o 以后，n c 机床的需求将保持强劲走势。如果缺乏强有力的c a d c a m 技术支持， 这些机床的利用率很难得以充分发挥，势必造成巨大的浪费。因此，进行n c 编 程技术的理论和应用研究，提高我国n c 加工的应用水平和n c 机床的利用率具 有极其重要的现实意义。 此外，我国在引进国外的c a d c a m 系统的同时，在应用研究上也取得了 华中科技大学博士学位论文 一些突破，但系统的核心技术仍然掌握在别人手里。如何将先进的c a d c a m 技术同我国的应用实际相结合，开发出技术先进、易学、好用、低价的具有自 主版权的c a d c a m 软件，仍有大量工作要做。在这种背景下，本文在作者参 加国家8 6 3 c i m s 应用项目一江汉钻头厂j z c i m s 二期工程子项目“三牙轮钻 头多轴数控自动编程系统”的基础上，结合国家重点科技攻关项目“机械 c a d c a m 系统的开发及商品化”，对n c 编程中的相关理论和关键技术进行深 入的研究，探讨提高数控加工精度和加工效率的有效途径。该课题涉及计算机 软件技术、图形学理论、微分几何、n c 加工理论以及n c 编程技术等多方面的 知识，该课题的研究对提高复杂零件的加工精度和加工效率具有重要的理论意 义和实用价值。 1 2n c 编程技术的发展概况【1 - 6 n c 机床出现不久，计算机就被用来帮助解决复杂零件的n c 加工编程问题。 n c 编程是从a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt o o l s ) 语言开始的，随着计算机软 件技术的发展和硬件性能的提高，促使图像编程技术也得到迅速发展。1 9 7 2 年， 美国洛克西德加里福尼亚飞机公司经过8 年的努力，首先研究成功采用图像仪 辅助设计、绘图和n c 编程的一体化系统，称为c a d a m 系统，其编程效率较 a p t 提高2 5 3 0 。1 9 7 5 年，法国达索飞机公司引进c a d a m 系统，为已有 的二维加工系统c a l i b r b 增加二维设计和绘图功能，经过三年的研制，于1 9 7 8 年推出了能满足三维设计、分析和n c 加工的c a t i a 系统。8 0 年代初，该公司 将c a t i a 用于飞机吹风模型的设计和加工，使生产周期从原来的6 个月下降为 1 个月。 在计算机技术高速发展的推动下，强有力的处理速度和图形设备日益普及， 原为独立的n c 编程系统进入了c a d c a m 一体化时代。日益完善的c a d c a m 系统也逐步得到普及，成为现代制造业的发展动力，并逐步向集成化、可视化、 智能化、自动化等方向发展。 n c 编程技术的集成化是指n c 编程在c a d c a m 系统中的集成，即要求 c a d 信息能自动转化成c a m 信息。集成化的目的是便于各系统间的信息反馈 和并行处理，提高编程以至整个产品设计制造过程的效率与质量。对于编程系 统与c a d 系统，典型的是通过i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 标准 的数据通信格式来实现两者之间的连接，但从集成的目的来看，这只是一种较 低级的集成方式。目前应用较广的以实体造型几何数据库为核心的集成方法， 2 华中科技大学博士学位论文 可直接从c a d 数据库中提取所需要的几何信息及拓扑信息进行n c 编程，但目 前这种方式仍然需要较多的人工干预。另一种仍处于研究与开发之中的是以产 品模型数据库为核心的集成化方法，产品模型的建立采用新一代的特征造型技 术，其中包括了产品的完备信息，如形状信息、物理性质、工艺数据和管理信 息等，因此，有利于根据模型所包含的几何与非几何信息如材料、表面质量和 公差等来自动确定加工方案、进给速度、主轴速度和切削深度等。采用特征造 型技术，为建立产品模型提供了可能，也为以产品模型为核心的c a d c a m 一 体化系统提供了广阔的前景。 c a d c a m 集成化的必然趋势是发展c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 。c i m s 是面向产品设计到制造全过程所需的各种自动化 系统的集成，是把工程设计、生产制造、市场分析及其它支持功能合理地组织 起柬的计算机集成系统，即是c a d c a m 系统、经营决策管理系统( b d m s ) 、柔 性制造系统( f m s ) 的有机集成。将c a d 、c a m 、c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s s p l a n n i n g ) 和f m s 以及b d m s 等，通过计算机网络将各子系统互联在一起，实现 数据交换、共享和集成，减少中间数据的重复输入、输出过程，从而大大提高 整个系统从订单、备料、设计、工艺到生产、供货全过程的效率。产品数据交 换标准的颁布和互联网的使用，使得建立在开放式、异地分布的工作站和微机 网上的c a d c a m 系统把构思、设计、工艺设计、n c 编程与仿真、制造、组装、 测试的活动集成在一个统一的系统中，从而加速了新产品的开发，降低成本， 缩短交货周期，以提高企业在市场上的竞争力。 8 0 年代中期发展起来的n c 编程系统，如p r o e n g i n e e r ，提供了局部应用功 能的自动化，但数据仍难以交换和共享，不能达到c i m s 要求下的集成。鉴于 此，国际标准化组织( s o ) 制定了产品数据管理标准一p d m ( p r o d u c td a t a m a n a g e m e n t ) ，以便各分离系统间的相互协调、通信。 可视化主要是指将计算机图形学技术应用到n c 加工和n c 编程中。在可视 化技术未得到充分应用之前，数控代码一般由试切塑模、蜡模或木模进行检验， 当检验完后，通过手工或坐标测量仪对工件进行测量来检验正确性。程序每改 变一次就需试切一次。要保证一个零件的正确加工，往往需要多次试切。这种 方法不仅浪费人力物力，而且延长了产品的开发周期，难以保证较高的精度要 求，也影响了机床的正常使用。在n c 加工和n c 编程中应用可视化技术，使得 从零件设计、加工参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理、n c 代 码的生成与仿真验证、生产准备、材料运输到零件加工等都用图形或图像来表 现，最后的加工过程用具有真实感的动态图形来模拟，使用户在实际加工前就 可以观察到从毛坯到零件成型的整个过程。虚拟制造技术就是应用可视化技术， 华中科技大学博士学位论叉 或进行员工培训等。多媒体技术的迅速发展，为进一步提高和促进n c 编程技术 的可视化程度提供了广阔的前景。 n c 编程的智能化是指将人的知识加入集成化的c a d c a m 系统中，并将人 的判断及决策交给计算机来完成。其核心是通过知识库和专家系统的支持，借 助人工智能技术，把人的决策作用变为各种问题的求解过程，使人机交互工作 降到最低，实现c a m 中制造信息处理的高度自动化。 追求n c 编程的自动化和高效率一直是c a m 系统设计者和使用者的共同目 标。在加工中相似的加工部位可以有相同或相近的加工工艺，这种特性构成了 加工同类零件的典型工艺，将此项技术纳入c a m 软件，成为提高编程效率的重 要手段。随着c a d 技术、c a p p 技术、编程技术的发展，基于特征的n c 编程 技术应运而生。 n c 加工的优化主要包括刀具轨迹优化和加工控制参数的优化。其中刀具轨 迹优化又可分为合理的轨迹选择和刀位数据优化两部分；加工控制参数的优化 包括进给速度、主轴转速、切削深度和切削力的自适应设置和调整等，目的是 为了最大限度地发挥n c 机床自身的功能，使加工精度和加工效率综合最优。加 工方案和加工参数的自动选择与优化是n c 编程走向智能化与自动化的重要标 志和需要解决的关键问题，同时也是实现面向车间编程的重要前提。在建立工 艺数据库的基础上，采取自动特征识别和基于特征与知识的编程是解决该问题 的重要途径。目前，对于复杂形状零件加工方案和加工参数的自动选择与优化 已开展了一些研究，如韩国高等科学与技术研究院开发的u n i f i e dc a m s y s t e m 、 日本索尼公司的f r e s d a m 系统以及美国p u r d u e 大学开发的c a s c a m 系统等 已实现了一定的( 局部的) 智能化与自动化，但尚未达到系统实用的程度。现有 的商品化c a d c a m 系统大多还只是以能够加工出零件为目标，加工方案与加 工参数一般还是由编程人员根据经验来确定，其自动优化选择仍是有待进一步 研究的热点问题。 我国n c 编程技术的研究起步较晚，其研究始于航空工业，1 9 6 5 年以a p t i i 为蓝本研制成功了p c l 加工n c 编程系统s k c ，1 ( 二维半加工) 。在此基础上 又发展了s k c - - 2 ( 四坐标平面变斜角) 、s k c 3 ( 五坐标平面变斜角) 和c a m 2 5 1 ( 参数曲面定义与加工) n c 加工绘图语言，这些系统没有图形功能，并且以2 坐标和2 5 坐标的n c 加工为主。从“七五”开始，我国有计划有组织地研究和 应用c a d c a m 技术，引进了成套的c a d c a m 系统，首先应用在大型军工企 业和航空航天领域，虽然这些软件功能很强，但价格昂贵，难以在我国推广普 及。“八五”又引进了一些c a d c a m 软件，c a d c a m 技术开始在我国的机械、 华中科技大学博士学位论文 造船、航空航天、建筑、电子、轻纺等行业得到迅速发展。到目前为止，我国 已引进了数千套c a d c a m 系统，如c a d d s 5 ，c a t i a ，u g i i ，e u c l i d ， p r o e n g i n e e r ，i - d e a s ，s o l i d w o r k s 等。以引进的这些软件为基础，进行了一些 二次开发工作，也取得了一些应用成果，但进展比较缓慢。 我国在引进c a d c a m 系统的同时，也开展了自行研制工作。八十年代以后， 首先在航空工业开始集成化的n c 编程系统的研究和开发工作，西北工业大学研 制成功的p n u c a d c a m 系统，其功能覆盖2 5 轴n c 加工，具有两轴半机械 零件几何设计及铣、钻、镗、车、磨、加工中心及线切割的图像编程能力，以 及飞机框、肋、板等三维结构件的几何造型和典型结构特征( 如各种腔槽、岛 屿、加强筋等) 的三轴n c 加工图像编程和三维平面、平面变斜角曲面轮廓的三 至五轴铣削能力。还具有雕塑曲面零件几何造型，多轴n c 加工轨迹计算与编辑， 三维图形显示，刀具库管理，刀具轨迹验证和图形仿真，以及通用后置处理功 能。北京航空航天大学研制成功的p a n d a 4 n c ，能够提供2 轴到5 轴的n c 加 工编程能力。凡在p a n d a 4 中建立的曲面和实体都可以用n c 模块进行n c 编 程，还可以用若干典型加工特征进行n c 编程。对加工刀具轨迹可以自动检查和 消除刀具干涉等。此外，还有南京航空航天大学开发的s u p e r m a n ；北航海尔公 司开发的c a x a 制造工程师：广州红地技术有限公司开发的金银花o m e g a ： 华中科技大学天喻信息公司开发的i n t e s o l i d 等。这些系统都达到了实用化程度。 1 3 相关研究领域及其现状 1 3 1 零件几何形状的描述技术1 7 - | 2 】 在计算机上建立零件的几何模型是n c 编程的前提。许多年来，人们对零件 几何形状的描述技术进行了广泛、深入的研究，提出了许多方便、灵活、实用 的方法。 1 9 6 3 年美国波音飞机公司的j c f e r g u s o n 首先提出将曲线曲面表示为参数 的矢函数方法。他最早引入参数三次曲线，构造了组合曲线和由四角点的位置 矢量及两个方向的切矢定义的f e r g u s o n 双三次曲面片。1 9 6 4 年美国麻省理工学 院的s a c o o n s 发表一种具有一般性的曲面描述方法，该方法把所要描述的曲面 看作是由若干个曲面片光滑拼接而成，每个曲面片一般可用四条任意的边界曲 线调配而成。1 9 7 1 年法国雷诺汽车公司的e b e z i e r 提出一种由控制多边形定义 曲面的新方法。该方法用曲面外的点( 控制顶点) 来定义曲面，通过逼近控制 华中科技大学博士学位论文 网格而得到曲面。这种方法不仅简单易用，而且漂亮地解决了整体形状控制问 题，把曲线曲面的设计向前推进了一大步，为曲面造型的进一步发展奠定了坚 实的基础。1 9 7 2 年，d e b o o r 和c o x 分别发表了b 样条的递推算法。1 9 7 4 年通 用汽车公司的w g o r d o n 和r r i e s e n f e l d 将b 样条理论应用于形状描述，最终提 出了b 样条方法。1 9 7 5 年美国s y r a c u s e 大学的v e r s p r i l l e 首次提出有理b 样条 方法。后来由于p i e g l 和t i l l e r 等人对非均匀有理b 样条( n u r b s ) 方法深入的研 究工作l 心】，使这方法在理论上与实用中逐渐趋向成熟。由于n u r b s 方法的 这些突出优点，国际标准化组织( i s o ) 于1 9 9 1 年颁布了关于工业产品数据交换的 s t e p 国际标准，将n u r b s 方法作为定义工业产品几何形状的唯一数学描述方 法。许多商品化的c a d c a m 系统( 如u g i i 、c a t i a 、e u c l i d 、i - d e a s 、 p r o e n g i n e e r 、s o l i d w o r k s 等) 都采用n u r b s 方法作为零件几何模型的表示工 具。 1 3 2 刀具轨迹生成技术 在n c 编程系统中，无干涉刀具轨迹生成技术是n c 编程的基础和关键，特 别是多坐标n c 加工刀具轨迹的计算，近年来又一次成为国内外学者关注的热 点。目前，有关n c 加工中刀具轨迹的生成方法很多，比较舆型的方法有以下几 种： ( 1 ) 多面体加工法( p o l y h e d r a lm a c h i n i n g ) ： 该方法最早是由d u n c a n l l 8 提出的，这种方法首先将曲面在给定的精度下用 多面体逼近，然后将刀具置于最接近曲面的多面体上求出刀位。这种方法很适 合于三角域曲面和散乱数据描述的曲面刀具轨迹计算。针对这一方法很多学者 提出了改进算法，s u s a n x l i d 9 应用该方法开发了一个用于五坐标平头铣刀加工 自由曲面的刀具轨迹自动生成系统。 ( 2 ) 等参数线法： 等参数线法【2 0 2 2 】是当前c a m 系统中使用最广泛的刀具轨迹生成方法。刀具 轨迹是由参数曲面的一个参数保持不变而另一个参数有规律地变化来生成的。 该方法的优点是计算简单，计算速度快。但是，对于组合曲面，由于每张子曲 面的参数线可能不一致，要使整张组合曲面的刀具轨迹一致是很困难的，因此 一般只用这种方法加工单张参数曲面，如果要用于加工组合曲面，对曲面间的 连接关系有较严格的限制。另外，有些曲面( 例如；一端大一端小的直纹曲面) ， 由于其参数坐标与实空间坐标的不均匀性，在参数空间分布均匀的轨迹线，在 实空间却是不均匀的。这样一来，如果大端满足精度要求，小端则轨迹线太密： 6 华中科技大学博士学位论文 如果按小端满足精度要求计算，则大端不能满足精度要求。 ( 3 ) 截面线法： 截面线法【2 5 2 7 1 是指采用一组平行平面或曲面( 如一组绕某直线旋转的回转 面) 与被加工曲面相交，截得一组交线，刀具与被加工曲面的接触点位于这组 交线上。一般情况下，由于曲面与曲面间的求交比较困难，所选用的截面常为 平面或回转曲面。该方法特别适合于加工参数化不均匀的曲面和拓扑关系复杂 的组合曲面。求交后得到的截交线很容易用曲面的内外边界进行有效性判断， 因此该方法对裁剪曲面处理起来较为简单，算法效率高，可靠性也很好。另外， 该方法广泛应用于直角坐标表示的三坐标球头刀加工中，被称为c a r t e s i a n m a c h i n i n gm e t h o d 。 截面线法在一定程度上解决了等参数线法存在的问题，但是，该方法通常 要进行曲面求交运算。刀具轨迹生成算法的速度及稳定性在很大程度上取决于 求交算法的速度及稳定性。因此，在截面线法中，为了提高计算效率，通常先 将被加工曲面离散成多边形。 ( 4 ) 等残留高度法： 不管是等参数线法还是截面线法，都不能使加工后留下的刀具痕迹( 称为 残留高度) 均匀一致，这时往往是选择较小的切削行距以得到较小的残留高度， 但同时也就限制了加工效率。因此，为了改善加工效率，等残留高度法【3 4 3 6 3 被 提出。 等残留高度法是在已知一条轨迹线时，通过迭代算法求出另一条轨迹线， 使得相邻两条轨迹线间的残留高度相等。等残留高度法生成的轨迹既不是等参 数线，也不是等截面线，在参数空间和实空间可能都不均匀，但加工后的残留 高度是均匀的，也就是粗糙度是均匀的。 文献【3 4 3 6 】的方法仅仅适用于球头铣刀的三坐标加工。l i 3 7 】和l o 【3 8 】将该方法 扩展到平底铣刀的五坐标加工。 1 3 3 刀具干涉处理技术 n c 加工中的刀具干涉可分为以下两种基本类型：( 1 ) 刀具的切削刃与工件 表面的干涉，即局部刀具过切干涉。( 2 ) 刀具的非切削刃与工件表面的干涉， 如刀杆、夹具、工件间的碰撞，又叫全局刀具干涉。 ( 1 ) 局部刀具过切干涉常出现在刀具半径大于凹面的曲率半径和复合面交 接处的加工中。 d u n c a n i g l 提出的多面体模型，把消除干涉过程中的刀具与曲面关系的判断 华中科技大学博士学位论文 ，刀具与这些三角面片的最高交点即为所求的刀具轨迹，干涉的检测是通过计 算刀具中心与三角面片的距离来进行的。后来c h o i 【4 3 l 和h w a n g i ”j 等进一步使这 类方法完善。 c h o i 4 3 】研究干涉计算的方法是基于刀位点到被加工面的距离测试的方法。通 过定义相邻的刀触点之间的“凹关系”，“凸关系”和“相联关系”来进行距离 测试中的范围收缩。在发生“凸干涉”情况时，要在走刀轨迹中增加刀位点， 而在发生“凹干涉”情况时，要对走刀轨迹进行剪裁，生成新的加工区域边界 点，并且加入到走刀轨迹中。为了提高算法效率，对刀具加工点处的投影覆盖 域进行提取，以它作为干涉检查的邻接区域。a w a n 等 4 4 】将c h o i 的方法推广到 五坐标加工的干涉检测中：首先用投影方法确定刀具在曲面上的影响范围并将 其离散成小三角面片，然后采用与c h o i 相似的方法进行干涉检测。 在c h o i 的研究基础上，h w a n g 2 7 】利用等距面的思想生成无干涉的刀具轨迹， 曲面用小三角面片逼近，首先用球头刀的投影和相邻刀位点的相关性确定可能 发生干涉的小三角面片的集合，以加快干涉检测的速度，然后在这个集合上生 成无干涉的刀位点。 h a n s e n 等1 4 5 1 提出的方法是假设刀具位于曲面上方的某个无干涉的初始位 置，想象刀具向下运动直到与被加工曲面刚好接触为止，接触点即为所求的刀 触点，用这个刀触点偏置得到的刀位点一定不会与曲面发生过切干涉。h a n s e n 等的具体做法是分割待加工曲面，把问题转化为求刀具沿给定方向运动直到和 有界小三角面片相接触时的接触点，在曲面递归分割时采用若干准则进行粗判， 用深度优先原则并优化进栈次序迅速达到要求的精度，求出真实的刀触点。这 种方法要求刀具表面与曲面三角面片之间的交点，计算复杂且存在着非线性方 程的求解问题。另外，按这种方法生成的刀位轨迹虽然不会产生干涉现象，但 在加工时不知何处产生欠切，不便于走刀后的补充加工。 t a k c u c h i l 4 7 l 在基于实体模型的p c a p s 系统中首次提出离散刀具的思想。在 刀具的径向和轴向设置一批检查点。干涉检测即为测试检查点是否存在于c s g 表示的加工曲面之内，然后根据曲面与检查点的干涉程度来调整刀轴矢量以避 免干涉。张定华等f 4 9 】也采用了类似的作法：取的于涉检测点只有三处，认为这 三处发生千涉的可能性最大。其干涉检查以临晃约束和刀具与曲面最近距离监 视为基础。 j e r a r d t 5 0 , 5 1j 等人提出了一种基于矢量求交长度的干涉检测方法。首先计算被 加工曲面刀位点处的法矢量，计算法矢量与刀具运动扫描体的交点，裁剪法矢 量进入扫描体的部分，检查走刀后残余的法矢量长度以判断是否发生干涉。当 8 华中科技大学博士学位论文 法矢量的残余长度出现负值，则说明发生干涉，其残余长度即为干涉量。为了 提高效率，采用桶式策略缩小检测范围，即对于每一个刀具位置，只有刀具沿 轴向投影所覆盖的表面区域被检测，而且在加工仿真中能用彩色显示出干涉位 置。l