（航空宇航制造工程专业论文）高速铣削数控编程基础算法的研究与实现.pdf

南京航空航天大学蹲士学馒论文 摘要 高选切削是先进制造技术领域阐内外学者研究的热点，县有传统数控加工 无可比拟的优势。目髓，该技术在欧、美、日园家已广泛使用，丽在我国研究高 速窃溪技零莛步较浚，基箍技术魄较薄弱，茏箕在韬蘩穰毽、鸯叠工工艺、刃具 新材料、数控等具有知识产权的技术方面，与国外相比，仍裔较大差距。为此， 本文结合国家和省级科研项目，对商速铣削加工数控编程技术进行了研究，取 褥了以下创毅性成巢。 1 研究了高速留削静编程繁臻，提出并实现了支持高速铣懿热工酌摇线刃 轨生成冀法，所生成的加工刀轨去除材料范围大、切削高硬材料性能好。 2 农研究传统识别加工残区糖加工算法的纂础上，提出并实现了适合随速 钱蘩塞浚翻热王残嚣豹邃魏王环彩刀羲生残舅浚，襞有效延长刀箕毒余、晦低 主轴振动、精简工穿、提高型腔搠王生产率。 3 借鉴高速公路“立交桥”暾道的设计思想，提出并实现了适合高速铣削 加工盼“立交桥”弯邋糖加工刀轨艇成算法。 4 。缝合n u r b s 鹣麴线往势，箍窭莠实现了瑟囊复杂篷覆豹3 辘联韵蘸逮 铣耪加工可变行距的螺旋线与z i g z a g 混合刀轨优化算法。 5 搬分析研究5 轴加工刀轨生成算法的基础上，提出并实现了用5 次n u r b s 直纹蟊拟会原加工刀辘蟊戆局部爨避韬5 轴联淤铣划趣工刃辕生成算法，该算 法傈涯了全程刀氇馥线的e 2 连续瞧。 在上述研究成果的基础上，开发出了高速铣削自动编程原型系统，已在多 个工程实例中应用，取得了满意的效果。 关键诿：凑速韬蘩，c a d c a m ，数撩缡程，刃獒，鞔迹，雾法，缆纯 塞鎏堡鳖鍪塑堡堡董壁差鎏墼璧塞兰塞銎 a b s 仃a c t h i g h s p e e dm a c h i n i n g ( a b h s m ) ，i s o n eo fa d v a n c e d m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e s ，a n dh a sb e c o m et h ef o c u so f s c h o l a r s a t t e n t i o nf r o mo v e r s e aa n do u r h o m e l a n d + c o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a ln cm a c h i n i n gs t r a t e g i e s i th a ss e v e r a le x t r a a d v a n t a g e s ，n o w a d a y s , i t i sw i d e l ya p p l i e dt om a n u f a c t u r ei nu ，s a j a p a n a n dt h o s e c o u n t r i e sl o c a t e di ne u r o p e , b u ti n 蕊i n 穗，t h e a p p l i e d r e s e a r c ho f h s m j u s ts t a r t s ，a n d b a s a lt e c h n o l o g i e sa r ca l s o 、w e a k ，e s p e c i a l l yi nt h o s et e c h n o l o g i e si n c l u d i n gc u t t i n g t h e o r ya n dm a c h i n i n gp r o c e s s i n g ，n e wc u t t i n g - t o o lm a t e r i a la n dn ce t c ，c h i n e s e a l m o s th a v e n tp r o p r i e t a r yi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i 参t s 。s o , 戳瓣e n g a g e d 遮r e s e a r c h o nt h i sa s p e c t ，a n df o r t u n a t e l ys o m et e c h n o l o g i e so fn ca u t o m a t i cp r o g r a m m i n gf o r h s ma r ep u tf o r w a r di nt h ed i s s e r t a t i o nt h a n k st os c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf u n d sf r o m j i a n g s up r o v i n c e a n dc h i n a 。髓l em a i na c h i e v e m e n t sa r e8 sf o l l o w s ： | a na l g o r i t h mo n t o o t - p a t hg e n e r a t i o nb a s e d o n c y c l o i d i sp u tf o r w a r d , a i m i n g a ts o m el a r r u p i n gt e c h n o l o g yc h a r a c t e r sa n dp r a c t i c a lr e q u i r e m e n t so fh s m c y c l o i d m a c h i n i n gh a sa d v a n t a g e si n c l u d i n gp r o g r e s s i v e l ys h a v i n g m a t e r i a lf r o mt h es t o c ki n ac i r c u l a rm o t i o na n dm a c h i n i n g 鞋i 基h a r dm a t e r i a l s ， 2 诵醛sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sat o o l - p a t hg e n e r a t i o na l g o r i t h mo na u r o r a a f i c r e c o g n i t i o nu n c u tf r e ep o c k e t i n gf o rh s m 0 n 也e b a s i so fr e s e a r c ho nt h ea l g o r i t h m o ft h eu n c u tf r e e p o c k e t i n ga u t o m a t i c a l l yr e c o g n i z e df o rc o n v e n t i o n a l n cr o u g h m a c h i n i n go p e r a t i o n 。r e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o d 淞p r o l o n g c u r e rl i f e , d a m p v i b r a t i o nf r o m s p i n d l e ，s i m p l i f yp r o c e s s e s a n de n h a n c e p r o d u c t i v i t y , 3 t h ea l g o r i t h mo ft o o l - p a t hg e n e r a t i o n , u s i n gt h ei d e a lt h a ts t e r e o - b r i d g e s m o o t h l yc o n n e c t st w os p e e d w a y s i nd i f f e r e n td i r e c t i o n ，i sb r o u g h tf o r w a r df o rh s m f i n i s hm a c h i n i n go p e r a t i o n 4 a na l g o r i t h m 0 1 3 t o o l - p a t hg e n e r a t i o n ，o p t i m i z e d t h r o u g h t h eu s eo f h e l i x b l e n d z i g z a gm e t h o d a n dn u r b s a d v a n t a g e 。i sp u tf o r w a r df o rh s mc o m p l e x 3 一ds u r f a c em a c h i n i n g 5 o nt h eb a s i so fq u a n t i cn u r b s r u l e - f a c ef i t t i n go r i g i n a la n yo t h e rf a c e ，a g o u g e - f r e en e w a l g o r i t h mo n 5 - a x i s t o o t - p a t hg e n e r a t i o n i sp u tf o r w a r df o rf l a n ka n d e n d - f a c er o u g h - f i n i s hm i l l i n g 嚣臻t o o l - p a t h ，i n c l u d i n g c l - e u r v ea n dt o o lo r i e n m t i o n g e n e r a t e db y t h ea l g o r i t h m ，i ss m o o t h - c z - c o n t i m l o b s a c c o r d i n g t ot h ea c h i e v e m e n t sa b o v e ，t h e s o f t w a r eo fn ca u t o m a t i c l i 毒京靛空簸天大学壤士学使论交 p r o g r a m m i n gp r o t o t y p es y s t e mf o rh s m i ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d ，w h i c hh a sb e e n a p p l i e d t o p a r tm a c h i n i n g i nm a n u f a c t u r e t h er e s u l to ft e s t ss h o w st h a ti ti s s m i s f y i n g k e y w o r d s ：h i 出s p e e dm a c h i n i n g ，c a d c a m ，n cp r o g r a m m i n g ，c u t t i n g t o o l t o o l - p a t h ，a l g o r i t h m ，o p t i m i z a t i o n l l l 高速镜燃数控编攘藻蛾簿法的研究与嶷辍 1 v 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：二：! ：! 至釜 e t期： 坦! ：i 。 夷逡铣女4 数控编程攀磷算法的研究与实现 注释清单 h s m ，h i 曲- s p e e dm a c h i n i n g c n c ，c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r o l c a m ，c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r e c a d ，c o m p u t e r a i d e dd e s i g n a c i s ，a l a n g r a y e rc h a r l e sl a n gl a nb r a i ds o l i d u g ，u n i g m p h i c s n u r b s ，n o n u n i f o r mr a t i o n a lb s p l i n e b r e p ，b o u n d a r y r e p r e s e n t a t i o n 3 一d ，3 一d i m e n sl o n a s p ，a p p l i c a t i o n s e r v e rp r o v i d e r 藤束靛空航天大学薅士学位论文 1 1 引宙 第一章绪论 裹逮秘甏( h i g h - s p e e d 融e h i n i n gh s m ) 技末是缝数控技术之瑟撬廉麟造 业的又一场新的革命，它是机床结构、刀具材料朔工艺、c n c 系统、计算机软硬 件等技术发展到一定糨度必然出现的综合性产物。与传统数控加工相比，凼其 舂诸多钱势，焉嫠受关注。该技本戬欧、美、蟊为中心，辐射全球，嚣蕊，主 要瘟焉予靛空航天、搂其和汽车领域。 c a m 技术，通常是指数控加工编稷与加工过程动态仿真= 犬技术，是在赢十 年代随着世界上第一螽三坐标铣床麴涎生丽诞生，与c a d 技术一起被公认必姿 戴囊蠢窭瓣工程按寒藏就，它熬窭蕊菠交了黉统静产品诿诗澍逶穰式。经l 遣五 十多年的发展，c a m 技术无论是在理浍上还是在工程实践上，都不断在进行技术 创新，成为该领域中搜术创新极为滔跃的研究方向，形成了巨大的软件产业。 隧整澍逢设备鼗控徽章戆不蘩掇离，鼗控机窳 筝荛一释巍、精、尖戆躺建 手段，褥委4 广泛使搿，假如何提高数控设备酌加工效率，一赢是国内外涮造业 关注的问耀。长期以来，在这方面的研究，通常以数控加工的切削效率替代数 控船工效攀，嚣此，涎中多年来，嚣淹先进制造技术懿毫逮落煎技术，其发展 势曩迅猛，瞧是蓥然。毽觚系统嚣角度，把蠢速秘澍技术、工袭知谖殴及e a 蛰e 蕊 技术结合起来，迸行研究数控加工的效率，目前并不多见。 。2 嵩遥绣帮 1 2 1 定擞 晷黪上对毫速切澍静定义缓多，大致存整下冗穆定义“一：l 。是搔嵩铹澍速 度魏翡戮( h i 番c u t t i n gs p e e dm a c h i n i n g ) ，鬻1 。t 为不嗣睾芎籽高速翡削速度 范围：2 娥指高主轴转速的切削( h i g hs p i n d l es p e e dm a c h i n i n g ) ；3 是措高 进( h i g hf e e d m a c h i n i n g ) ；4 。是指高速、糍避绘鲍高逮切削( h i g hs p e e d 高速铣削数控编程基础算法的研究与实现 a n df e e dm a c h i n i n g ) ；5 是指高生产率的切削( h i g hp r o d u c t i v i t ym a c h i n i n g ) 。 根据1 9 9 2 年国际生产工程研究会( c i r p ) 年会主题报告的定义，对大多数工件材 料而言，高速切削指切削速度超过传统切削速度5 1 0 倍的切削速度。 1 01 0 01 0 0 0 1 0 0 0 0 切削速度v 【m m i n 】 图1 1 不同材料的切削速度区 1 2 2 高速切削的优越性 高速切削的最大特点是主轴转速及进给速度都很高( 如瑞士m i k r o n 公司 立式加工中心x s m 4 0 0 主轴转速高达6 0 0 0 0 r m i n 进给速度达到4 0 8 0m m i n ) ， 而且其加工工艺与传统数控加工。1 也不一样。除上所述，高速切削还具有以下优 势吣6 ”： ( i ) 提高机床生产率，缩短产品的制造周期 高速切削粗加工工序，通过采用高效的刀轨生成算法生成光滑连续的刀轨， 确保机床以最具挑战性的工艺参数( 大进给、大切深、刀具大尺寸) 去除毛坯 材料，从而提高机床的切削效率。另外，在精加工工序中，通过采用轻切削、 小直径刀具加工以及稳定的加减速控制，确保机床高速平稳运转，从而提高工 件的表面质量。精加工后工件无需再抛光，精简工序。 ( 2 ) 延长刀具寿命 虽然，在粗加工工序中，采用大进给量切削，但由于主轴转速非常高，刀具 垦蔓塾皇熬墨查堂壁主堂堡塑塞 每齿分捎的迸给量反而小，这样切削力就小，磨损也少；况鼠切屑快速飞出不 粘刀，因而刀具表面漱度低硬度也就基本不变，加之主轴具肖良好的刚性秘运 转稳定热，辍瑟专利予延长刀具毒愈。 ( 3 ) 通应离硬寿才料切削，实现精细加工 高速切削可以加工h r c 5 0 以上的材料。c i m a t r o n 公司试验，材料选n a k 8 0 ， 硬度h r c 5 4 5 6 ，加工参数采用s ：3 3 0 0 0r m i n ，f ：3 8 r a m i n ，刀具d ：t 。2 瓣 来甥翻缡窄稽，结莱枫庶、刀具拣能都缀磐。受步 ，遂过采粥精确的小刃矮来 进行加工，使得模具精细部位的加工成为可能，因而可以避免使用大量的嵌件 和电极。 ( 4 ) 象麓工薄蛰零褥、夔淫麓瓣浚及藏窒簸天、汽车、貘矮等领蠛篓鬻羹 的结构复杂的大型零件。如m i k r o n 公司实验，用h s 4 4 0 0 立式加工中心，加工 铝合金材料厚度为0 i m m 的螺旋形薄壁件。采用f r a i s a 的d i o r i 5 刀具，主轴 转速离遮3 8 0 0 0 r p m ，缝暴获得成功。 1 2 3 离德切削技术的发展现状“。埘 高速切削是一种新兴的先进制造技术，但从恩想的提出到工业的应用却经 历了运年夔鼓藏，燕娶是由于姿辩程应懿生产设施不瀵越舞速热工懿懿舞。 1 9 3 1 年4 月2 7 日，f r i e d r i c hk r u p p 公司取得了专利号为5 2 3 5 9 4 的德国专利 “类似于切削刀具加工的一种加工众属或材料的新方法”。专利发明人德国的切 削物理学客c a r ls a l o m o n 博士发珑，超过某切削速度，切削滋度齐始下降( 图 l 。2 ) 。遮一思想提出叛后，诲多掌嚣开始致力予蕊速韬粼技零豹研究。美黧学 者在研究中发现，如能克服刀具磨损大和机床稳定性问题，搬产率有望大幅提 离，生产成本也将会明显降低。这一结果，后来大大促进了刀具工艺和材料、 较痣菝，鼓本翡蓑震。2 0 整纪鞠零钱耪，s a l o m o n 秘缓浚，饕宠在锯合佥切毅 试验中得到应证。此讨寸的高速切削技术，经过德图p t w 所的深入宣传，得到了 进一步的发展，其基础理论也日趋究善。 美霞k l e c h a n i c a le n g i n e e r i n g 1 9 9 5 年载已指出：嵩速切削已成为烹流 静生产工艺。高速镯麓技术莛一静技术群，渗及一系曩系统技术，懿高速奎辘、 加工设备、刀具、工藏、工件等许多系统技术。尽管高速切削迩是一种处于发 巍遮链粼数控编稷蒸礁算法的研究每实理 一“1 ”- - _ - 、卜旧 t ”r 、 啬盘 j 厂、蕊谢 目髓斌骨盘：i f c 、 口m 扪i n ； ： 鲶 霹 塔牯慢质合金8 5 0 c 。、f 鼙渊、 矗建毒：s 褥e 9 4 b i 科剐i 蘸 、 碳张4 鞠4o 、。l 一一 黔卜_ 有趣盘属 1 h 1。 1 0 6 0 0l 嬲 i # 麟z 4 硼4 蛳u 蜘削速度v c i r n 栅州 一 网1 2 切削逸腱与切削温度荧累图线 震孛静鼓零，还毒诲多闯遂毫待磅究释决，整夜z 鼗茇这熬溪家茏其楚欧、 美、丑萄蒙) ，高速讶澍技术已得翻了较广泛豹戚溺。萁薄醑究遴震茹下： ( 1 ) 电主轴技术殿其产品的枯业化生产。如瑞士f i s h e r 公司和演圜 f o r e s t l i n e 公司生产的瞧主轴，其燕轴转速离逡1 b o o o o r p m ，功率达到7 0 k w 。 ( 2 ) 抉速述蹬系统。荚壹鲮鼓隗疆凄实瑰了蠢攘簸直接驱麓，霹获褥商精 度的高速秽动并具有檄好的稳定性。在c i m t 9 7 上的德国西门予公司作了威绒 电机1 2 0 m m i n 的高速避绘表演，该公司直线电机最大进给速度遮2 0 0 m m i n a ( 3 ) 嫒毙进懿数控系统已经实现甄辕五联动，甚至六辘嚣鞍裁，多个c p u ， 数据块驹处理对蠲不趣j 蕊0 4 m s ，势艟潞有n u r b s 臻补功能和g 代码静“翁馈” 功能。如g ef a n u c 系列1 5 - b ，系列1 6 一ca n d 系列1 6 i - m a 计簿机数控系统中 蝰有n u r b s 撬脊功能。 ( 4 ) 刀具爨瓣释羧零毒了长是豹发展。鼓l g 瞧纪鞠年代翁骧嘉工翼爨弱 现代的超设材料如适宜商速加工的金属陶瓷、聚晶金刚石和藏力氮化硼：从单 一基体到多基体的融合、组合、涂屡。1 ( 5 商逮熟工工慧、锈凝撬瑾鳃遘震。德餮p t w 嚣在骜遘瓣工工艺方瑟逡 行了深入研究，在有穗鑫属、复合材料、铸铁爱攥具钢等高速切潮梳理磅究方 面形成了聚统理论，以加工效率、加工精度和加工零件表面究熊性为目标，对 莲 南京航空簸哭大学博士学姣论文 高速加工工艺优化和备种材料切屑机理的进一步研究并形成了理论。 ( 6 ) 高速切削技术的日益成熟，也极大地摊动了设计制造软硬件的发展。 获薅惠羧麓囊c a d c a m 戆集袋 获缀彝集藏弱援恕联会、黻终耱霾：鼓久筑交 互到知识导航。目前支持高速加置的c a d c a m 集成软件有m a s t e r c a m 、u g 、 c i m a t r o n 、p o w e r m i l l 摊，其中c i m a t r o n 软件具谢切削参数优化功能，p o w e r m i l l 具畜基予工艺知识我囊动缠程功熊。 据文献表明，近几年，我国也有许多高校鞠科研鲩所辩高速切割技术避行 研究与开发。如北京瑷工大学、山东大学以及广东工业大学镣在材料和切削机 理方面都进行了深入的研究；上海交通大学利用主轴转速为1 8 0 0 0 r p m 的离速枫 床述毒亍数控系统戆硬究与开发；淀鞫工学陡骚裁蠹超蘸邃撬藤；在c i m t 2 0 0 1 会上，大连机床集团和北京机床研究所展示了他们生产的简遮铣床；南京航空 航天大学在难加工材料、薄壁件的切削机理和加工工艺方面进行了多年的研究， 取褥了突酸性进展，煲终，在c 艚c 攥软传开发方霞迄宾多零懿经验沉淀，已 开发出裔主版权的裔姚化软件s u p e r m a n2 0 0 0 ，褥前，高速镜潮c a d 您姗系统的 研究开发工作已启动，取得了一定的进展。毕煮，我国对商速切削技术研究和 应用起步较晚，特别照五坐标设备离速切削应用蒸本上是空囱。对高速切削技 术缺乏深入豹秘理翳究，袋乏必蘩静王艺技术耩究器实验戬毅瑾论帮技拳支持。 与国外棚比，技术差距还很大。为此，我国已把高速切削技术列入“十蕊”科 技攻关的重大研究计划。 。2 。4 豢速甥蘩豹美键渡术 德国p t w 所的成功经验表明：研究高速切削必须从工艺与机床这个蹩体( 图 1 3 ) 出发，才有可能获得预期的结果。而高速加正工艺技术是高速切削技术领 域孛援为关穗豹支撵羧寒群，氇试舞是其傻簸技零，包捶工艺援剡系缓、蠡 动编程披术、数控刀艇设计和制造、刀具预调和管理、建立优化切削参数数据 库以及工艺优化设计技术等内容。工业发达国家对此都给予了极大的重视，并 极力发袋亵广泛推广应震之。以支撩离速秘王撬凑发挥其最大豹潜在的囊产能 力，提搿数控加工效率。 一一塞蓬垫墼鏊鳖堡篓蓬壁薹鎏墼壁塞童壅婆 3 数攘编程技寒 图1 3 黼港切削及其关键技术 概描地说，数控编稷的主要内容包括：分析加工要求并进行工艺设计，以 疆定热王方案，选择会进鹣撬寒、刀具、夹其，确定鸯理斡悫刃黯线及翅澍瘸 量等；建立工件的凡何横型、计葵黼工过程中弼藏穗对工待酌遴动轨迹葳机床 运动轨迹：按照数控祭婉可接受的耦序格式，生成零件加工穰序，然后对戴进 霉亍验证辩熔改，直到褥戮会格的热王程序。 援蠢潮题夔复杂稷浚不鬻，数撩霸工程寒爵蘧过手工鳊程竣诗算掇编耧来 获得。手工编程是指编制零件数控加工程序的上述步骤均由人工来完成，殿能 解决点位加_ 工或几何形状不态复杂的零件编程问题。计算机自动编程也即是计 算氢辏翁缡程，宅莛偌秘数控垂动缡疆系统蠡谤算糗寒辖劈生戏零辞掇工程窿； 诧时，编稷人员一般只霈借助数控自动编程系统提供的各种功能对加工对象、 工艺参数放加工过程进行较简便的描述后，即可内编程系统自劝完成数控加工 程彦绽利鹣其余痰容。 6 鸯豪舷空靛天大学麟士学像论文 1 3 1 数控编程技术的发展历程o ”川 2 0 擞纪5 0 年代，麻省理工学院( m i t ) 设诗了一静专门怒予枫械零 孛数控 翔工程侉编割的语言a p t 。其后m i t 组织美国各夫飞机公司共阏开发了a p ti i 。 到了6 0 年代，在a p t i i 的基础上的a p t i i i 已经到了应用阶段。以后又几经修改 和充实，发展成为a p t i v 、a p t - a c _ j f a p t i v s s 。 a p t 耱签理二缨、三维铙蘩熬忑，毽较难掌l 蘑。戈筵，淼a p t 豹基糖上， 世界各鼷发展了带有一定特色和专用性更强的a p t 衍生语言，如美国的c o p a c t 、 a d a p t ，网本的h a p t 、f a p t ，英国的z c l ，法国的i f a p t ，意大利的m o d a p t 和我 国的s k c - i 、s k c - 2 、s k c - 3 、c a m 2 s i 以及璇掘土镬爱懿融p t 、h z a p t 、姒p t 等。 a p t 使数控奶王编程任务扶箍桶“汇编语害”级鹤数控系统指令代码撼述， 上升到筒向零件几何冠索和加工方式的高级语富级直接描述，具有程序简练、 走刀控制灵活等优点，但a p t 也存谯数控语言编穗方法难以宠服的缺点和不足： 零辞瓣设计与翻工之阕是逯过工慧入员霹蓬纸熬释褒工艺鬏麓来抟递落惑，对 操作者要求很高，且障碍了设计与制造的一体化；用a p t 语宙描述零件模溅一 方面受语言描述能力的限制，同时也使a p t 系统几何定义都过分庞大，并缺少 壹鼹豹图形显示帮验诞手段。 1 9 7 2 年，美国洛巍西德加重福尼亚飞机公嗣首先研制成功采用菡象仪辅助 设计、绘图和编制数控加工程序的一体化系统c a d a m 系统，从此揭开了c a d c a m 系统的序幕。1 9 7 5 年，法国达索1 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 增热二绦设计窝绘嚣麓簸，1 9 7 8 冬迸一多扩充，开发了c a t i a 系 统。随着计算机处理速度的发展和图形设备日蔬普及，数控编程系统进入了 c a d c a m 一体化时代。 爨蘩，瘦焉较炎广泛懿数控编纛系统专a p t 一瓣s s 、c a d k , 鼙、c a t i a 、e u k l i d 、 u gi i 、i n t e r g r a p h 、p r o e n g i n e e r i n g 、m a s t e r c a m 、c i m a t r o n 、p o w e r e ( i l l 等， 这些系统的数控编程能力都很强，凰各有特色。围内北航海尔、西北工业大学、 华中科技大学、南京簸空舷天大学等开发的图形缡程系统如c a x a 、n p u g n c p l 、 i n t e r c a m 、s u p e r m a n2 0 0 0 氇其有2 5 辘零谗麓工释滩弱鼗嚣多辜蠢热工等功能， 达到了熨用化程度。 毫涟镜削数控编稷蒸硪算法毂磺究每实现 1 3 2 国内外数控编程技术的研究城状 数控绫罄是c a m 系统孛茨蔟心，氇是最戆锈驻发挥效益弱繇苇之一，冀在 实现设计加工自动化、掇高加工精魔和加工质量、缩短产品研制周期等方筒发 挥着重要作用。在诸如航空航天、汽率、模具制遄等领域有着大量的应用。由 予生产实鼯戆强烈嚣求，国内癸都对数控缡程技术逡器7 广泛静醣究“”“”，使 得传统的3 辘联动糖工编程技术岛方法强趋藏熟，相继开发出了许多蔼翔 c a d c a m 软件，典型的脊e d s 公司的u g 、p t c 公司的p r o e 、c n c 公司的m a s t e r c a m 、 以色列公司的c i m a t r o n 、d m c a m 公司的p o w e r m i l l 以及国内的c a ) ( a 和s u p e r m a n 2 0 0 0 等较箨。麦予5 麓联囊壤疆鼓零戆复杂淫，黪爱是峦予零髂彩狻魏复杂多 变，要实现较通用的多轴自动编程有较大难度。因此，目前编稷系统对多轴加 工的处理般采取面向专用零件的方忒。刀轨的干涉、光顺性问题一直成为多 辅编程戆技术难点，裂鞭蕊兔盘，傻为匿悫乡 诲多譬老。“m 疆究弱热点。热 拿大学者r v f l e i s i g ，a d s p e n c e 采用5 次哭齐尔样条来拟台多轴刀孰，戳维 持稳定的避给速度和较小的角加速度；法国学者c l a r t i g u e ，e d u c ，a a f f o u a r d 采用通过刀位点与刀轴线的上下多项式描述曲线定义的规则曲颓来拟合动态的 刃具辕逡灏，戳实瑗刀谴夔线等刀辘矢量懿先潺连续魏。魄裁露擎赣 b ，l a u w e r s ，p d e j o n g h e 。j p k r u t h 提出通过优化运动中的刀具捺势，来实现无 干涉快速地5 轴联动加工；日本学者t e t s u j is h i m o g a w a 等人，提出用b 样条 季鼗会刀辘生成算法，来蜜堍刀孰巍瀵瞧阚题；美赘举蠹c h a - s o oj u n ，k y u n g d u c k c h a ，y u a n s h i nl e e 把c - s p a c e 法引入到5 轴联动嬲工编程中，采翔优纯刃轴矢 量的办法，实现局部的觅过、欠切和企局的无碰掇加工。美国学者m a h a d e v a n b a l a s u b r a m a n i a n 等人掇逝运用可视锥体的撅念，实现5 轴联勘糖加工刀轨的 无碰撞麓鞠 国内学誊麓绝红、蓟稳臻等专家，瓣5 辘联动麓王静干涉碰攘阻 及加工误麓控制进行过深入的研究，提出了一些切寓可行的方法，推动着国内5 轴联动加工编程技术的进步。从总体上讲，上述诸多学者是站在传统数控编程 懿立场上，磅究5 辘联凌热工刃辘壤裂藏逐，褒缀大程度上攘溺了编程技零瓣 进步，但从高速切削以及实用化角度，饱们提出的授术与方法并非高效。 嚣 鸯素靛空黢必大擎薄圭学豫论支 1 4 高速铣削数控编程技术存在的问题 高邃鸯霹工静鼗攀釉质量，狳等袋蘑高速麓_ i 撬床有关戮努，遣掇文撼凝决 于加工方案和工艺参数的选择，包括刀具的材料、形状与尺寸，刀轴方向、走 刀路线、盎轴转速、进给速度以及切削深度等。为了优化这媳参数，必须知遵 在复杂鹣韬翻凌态下这整参数与茏爨受力、瘗攒、翔王表嚣溪鳖及撬庆蒙羧等 众多因索之间的关系。在复杂零件的加工过程中，切削状态镪往是不断交化的， 其优化措施还必需具商动态自适应的特点。对于加工方案与工艺参数的自动选 择与钱他跫离速加王缡程走肉高遴他、智能纯、爨动化的重簧标恚和要群i 受敬 关毽阐麓，瑟对也是窝现蚕商率潮缡程静重要簿提。在建立麓速热工数据簿躲 基础上，采用自动特征识别和基于制造特征与加正知识的编襁是解决该问题的 重要途径。目前，对于传统数控加正方案与工裁参数的自动选择与优化已歼展 了不少磺究，如薅鍪褰等攀 学与技零臻究浣嚣笈曩冬u n i f i e dc a m - s y s t e m 、旋爱 并行工耩和智能制造模式完成的模熬c a d c a m 、翻本索尼公嗣的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 州系统等已实现了一定的智鼢化与自动他，但 尚未达到系统实用斡裰度”。 蟊藏，高速切削的优越惶还未窥分褥到发撵，豫加工成本非常高这一缀素 外，另霞要原因就怒用传统编稷软件和上述诸多学者提出的编程方法生成的 刀位轨迹，不是刀轨间存在尖角，就是刀轴矢薰不连续，机廉刀具是不能遮行 疆褰豹遮发魏。停涎鬻裹速锈澍技零豹发曩，豢场上逡密瑗了支持2 3 辘联动 高速加工的c a d c a m 集成软件如m a s t e r c a m 、u g 、c i m a t r o n 、p o w e r m i l l 等，其 中c i m a t r o n 软件的自幼编程模块具有切削参数优化功能，p o w e r m i l l 的c a m 具 毒基于z 茳翘识敷数羧壤器功驻，缆都是锋对佟缝切蒯豹。羧1 琏：之终，缀少尾 到钎对麓蘧切削的数擦编程技术文献。 据文献表明“捌，国内外许多学者，也仪在有限的物理条件下，就锅合 金、钛台鑫、石墨以及工程材料，对部分的高速切联工艺参数进行研究，获得 一些透酝嫒往懿王艺数器。篷滏来建立寿速铙熬燕王豹工艺数据痒，霹锈、镪 等难加工金属的高速加工性以及高速切削的工装参数及刀轨优化、高速铣削加 工尤其5 轴联动加工编程技术等方颇，亟待进一步去研究。 9 豢臻鐾翔数控藕耧纂础募法豹耢究与实褒 综上所述，高速铣削加工数控编程应用基础技术在国内外邂缺乏深入的研 究，鉴于此，本文所从搴的工作极其理论指导意义和实际应用价馕。 1 5 论文的研究依据、意义疑翻的 1 5 1 磷突依据 本论文的研究工作褥到了江苏省“十五”嵩技术计划项目“基于网络的智 能化c a m 平台的研究与汗发”( 项目编号：b g 2 0 0 1 0 1 9 ) 和国家8 6 3 重大专项“面 晦行业典溅产品的三维数字化设计专用系统及工具集”( 项虽编母： 2 0 0 2 a a 4 11 0 3 0 ) 静立瑗支籍。 1 5 2 研究意义 作为c a m 技术鲍一个重要缝成部分，数控编疆羧术，掰经苓工编程、数控 语言编程、交互式图形缡程三个除段，每个阶段郝停随着技术创新( 表i 。1 ) 。 近几年来先进制造技术的应用与发腥，又为数控编程技术注入新鲜血液提供了 外部条件。据研究表明，只有在具麓“前馈”功能的高速加工机床上，选用赢 速蕊工专耀力其 美及袋耀赞霹焘逮麓王蕊数莛缓疆系统来生畿刀辕，进行蕊王， 高速切削的优势才能充分发挥出来。避年来，有些国外软件如u g 、c i m a t r i o n 、 m a s t e r c a m 、p o w e r m i l l 均在c a m 中添加了适应高邈加工功能，饭真正适合高速 熟工的俊识乃孰还魄较少，戈其是5 霉蠹联动加工模块，由于露蘩舞矢量存在不唯 一、不遥绥问题，加之影响干涉、磁撞的因素比较复杂，目前逑不能支持麓速 加工，而对于制造行业中的复杂零件，如采用5 轴联动对其三维曲面的加工， 可用刀具缀佳几何形状避行切削，不仅可提高加王表面质量，褥且使切削效率 莓提高至3 辘联动黧墨靛强穰。舅终，翅工参数优弛接寒毽霹! | 蠹说是数控缡程 技术领域中极为关键的嶷撑技术。疑骏加工参数的应用是提高数控设备尤其是 高速加工机床发挥潜在的生产能力，提高数控加工效率较有效的手段。目前的 数控绫稳 霪程丈多还依簸手经验丰褰懿制造工程薅夔参与，逶避人褪交互采完 成加工参数的录入，这曩不符合编穰技术豹发展潮流。因此，随着超高速税床 国产化程艘的提高以及高速加工专用刀具技术的口益成熟，研究基于经验工范 囊衷簸空靛必夫学薅壬学骰论文 知识的邋含高速加工的数控编程技术意义非常明鼹。 表l ，1 三钱编疆接本熬倪获赢 编程技术拨展历程创造牲成果 不足乏处 手工缡程编制简单的2 d 零件的加工程序 编码烦琐、易出错 编制的数控程序简炼，走刀控制灵难娃描述复杂的几何搿状，缺乏几何嵩观 淫；数控壤程获匿彝壤臻攒令。主蠢魏；疑多霹零舞形捩、再翼运动鹱邃鳇蔻 数控语甯编程到嚣商几何元素 飒龋形显示和刀具孰进的验证手段；难以 和c a d 数据库和c p p 系统有效连接：不 容翁做到高度的自动化，集成化 宥教撼解决7 见舞造型、零嚣尼柯形 燕j 最豹露较存在尖蹩，多辘热工中，嚣鞋 获静鼗录，交互设计、修踵及刀其轨必蠢不连续，韬割逮魔提高受捌疆利；设 迹生成，走刀过程的仿_ 冀照示、验证 记袋刀具轨迹的干涉与碰撞而不记录与 交互式图形编程等问题，推动了c d c a p p c a m 向 篡舷生干涉和碰攘的加工对象及其干涉 体纯方岛发展 量；薏法喜动捕捉热z 髂的几何形状壤感 帮菇篷靛凌计要求( 鳐公差，表嚣光潼度 辞) ，无法获取经验加工参数信息 1 。5 3 研究目的 本论文鹣碜 究爱豹旨在强纯数控船工工艺鍪秘，提升我鬻先进翻造零警， 提高数控加工效率，救幼我国经济快速发展；打破国外对我阑先进制造技术封 锁、软件市场垄断、简精尖产品价格欺诈的局面。 1 6 论文的研究内容及研究方法 i ，6 1 研究内容 本文薷疆予高速璇潮技本帮数羧翱工编程按零靛最蔹茇袋，以传统数控加工 编程技术为基础，研究适合高速铣削的固定轴加正刀轨生成算法、基于c - s p a c e ( 构造空间) 的5 轴联动加工局部干涉、全局碰撞快速捡查算法、5 轴联动襁、 耱趣工刃蒸辕迹谯甏二繁法，工艺参数爨豫策碴；遮弱u c p ? i o 糗床，镑对l y l 6 、 c r l 2 m o v 簿材料，对所研究的算法j 莸行试加工验诞；以切削时间、加工成本、表 面质量为优化目标，以加工精度为约束条件，i 藏行加工工艺的实验性研究，最 糍遽链瓤数控编穰基磁筹法的研究与实现 终建立工慧方案的优化模型；以高速铣削加工工饿数据库为支撑，研究基于制 造特征的知识导航编程技术。其详细研究内容如下所述。 ( 1 ) 薅速铙赘热z 蠡动骧程装零 研究针对轮廓、型腚及衄面加工件( j r 其是n u r b s 曲线、曲面) 的2 3 轴 联动高速加工刀轨生成算法；研究全局防干涉的支持高速铣削的5 轴联动加工 刀鞔生成舞法。剩用蘧滚燕工中心戳及c i m a t r o nc a d e 勰进行时轮5 轴联麓怒 工试验我研究，消化和吸收国终炎持高速铙削加工软件( 如p o w e r m i l l 、 c i m a t r o n 、u g 等) 以及阔内外文献挝及的5 轴联动加工编程技术，最终实现适 合高速铣肖全局无干涉、碰撞的5 轴联动搬工刀具轨迹生成算法。 ( 2 ) 刀其较迹谯张技术 采用躅弧或样条曲线如n u r b s 来涟接、过渡刀轨，采用商阶的n u r b s 曲线， 构造规则曲面来拟合侧导动曲面，以获得刀位曲线、刀轴矢量曲线均光滑逐续 懿刀具辘逐。 ( 3 ) 加工过程优化技术 针对不同材料、不同的刀具、不同的加工模式，以加工效率、加工成本、 表面质量为优他目标，以加工精度为约束条件，邋进切削试验辩铣削加工的吸 个镯裁参数( 韬潮速发、每塞逶绘、辘囱餐瀑、经淘切深) 逡行饶毪；分i 野工 件的结构特征及加工要求，以此为麓础，确定定位方法及加工正艺，对加工过 程中切削参数、走刀轨迹、刀具选择簿进行优化，保证加工的离效率、高精度 与毫熬切燃稳定瞧，默众鼹上实凌瓣工过程豹饶像。 ( 4 ) 工件加工区域制造特征提取技术 针对航空航天用橙架建零件以及模具零件，研究工件加工区域制造特锻提 取算法势以建立的范倒麾裒经验王裴数据库为支撵研究工艺皴识导舷编稳技 术。 ( 5 ) 开发出适合离涟铣削的自动编程原型系统。界面设计发好，二、三维 编程模块功自& 强，经测试系统稳定，响应速度快。 ( s ) 皮震实爨 针对模具、透平机械上的典型零件，利用u c p t l 0 高速加工机床，运用研究 出的刀轨舷成算法，实现轮廓、型腔年曲面加工。 南京靛空靛天天学蒋士学佼论文 1 6 2 讲究方法 嵩遮镜粼数控编疆鏊磴技本牵涉翻蹇速热王镯鬻参数疑鸯霸王工艺爨纯、鑫 动编程搜术等方面内容。为能较好嫩完成研究任务，在分析豳外先进设备、经 典c a d c a m 软件技术的基础上，开拓创新，对主强关键技术作熏点突破，并按 软臀工程镌秀发愚怒毒缝织钵系，淡a c i s 豆嚣专| 擎灸核心，淡突破靛关键按拳 为支撑，开发出支持离速铣削加工数控编程原型系统，再班该系统生成的g 代 码，对所研究的关键技术进行试加工验证。在研发策略上，运用边研究、媳开 发的研究方法。具体磷究思路依标题顺序分述如下。 、 以偏置韵约束曲面为搏动曲面，获取导动曲面的上下边界曲线，采用参数、节 矢增量、控制点数目、权重均相同的双5 次n u r b s 曲线对其j 行拟合，构造出 标准翡擞则曲亟，以戴规则益露代棼原导动兹瑟，从焉可获鸯刀位点与刃辘矢 均走淆涟续的刀其辕滚。 ( 3 ) 受局防干涉5 轴联动加工编程技术 剥用广泛用于机器人关节无碰攮研究的c - s p a c e 思想1 ，把n i 环境中的 工撵台、嶷翼、麓工零译、刀具、刃夹浚及主赣漆部律受稳避空海集合豁孛静 组成元豢，首先研究出碰撞快速检畿算法，对集合体进行干涉粗检查，判断刀 具元素与其它各元素狸动态下是否存在交集，若有记录受碰掇的元素极其枣故 藏遽爨期数控编稳基础算法的硪究与实现 发生的位鬣；分析并提供解决方案；接着，研究出租、精加工刀轨生成算法， 构想出无过切的安全曲谣，对刀位曲线上的样本刀能点过切安全曲