復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量?jī)?yōu)化方法研究

屈海軍

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇 徐州221011）

重視復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量?jī)?yōu)化方法研究，有利于提高產(chǎn)品加工表面精度，優(yōu)化加工方式的同時(shí)確保加工質(zhì)量可靠性，促使復(fù)雜曲面銑削水平得以不斷提升。因此，在開(kāi)展復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工作業(yè)時(shí)，為了減少刀具磨損，全面提高工件加工質(zhì)量，需要注重與之相關(guān)的刀軸矢量?jī)?yōu)化方法使用，并落實(shí)好相應(yīng)的研究工作。基于此，本文重點(diǎn)對(duì)復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量?jī)?yōu)化生成方法以及復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸可行域生成及加工過(guò)切的避免進(jìn)行了分析。

1 有關(guān)復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量?jī)?yōu)化生成方法分析

為了提升復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工水平，給予工件加工質(zhì)量可靠性科學(xué)保障，需要注重其刀軸矢量方法使用，并找出有關(guān)光順刀軸矢量的優(yōu)化算法，了解其優(yōu)化原理及實(shí)現(xiàn)方法。具體表現(xiàn)在以下方面[1]：

1.1 實(shí)踐中的算法優(yōu)化原理

在復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工過(guò)程中，為了對(duì)加工曲面進(jìn)行描述，可用一個(gè)或一組曲面表達(dá)出加工過(guò)程中刀具某一點(diǎn)的軌跡，即加工曲面描述時(shí)可通過(guò)對(duì)刀具路徑的合理運(yùn)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)際操作中應(yīng)加強(qiáng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)使用，在計(jì)算機(jī)三維空間中確定端銑刀與、加工面的接觸關(guān)系，并獲得相應(yīng)的局部坐標(biāo)系。此時(shí)，需要在復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工中對(duì)刀具軸向、進(jìn)給方向、刀位定位點(diǎn)、刀軸偏轉(zhuǎn)點(diǎn)等要素進(jìn)行充分考慮，以便更好地理解光順刀軸矢量算法的優(yōu)化原理。該原理為：根據(jù)刀具方向角（傾角與導(dǎo)角）的變化，了解加工過(guò)程中刀具對(duì)切削橢圓的實(shí)際作用效果。通過(guò)對(duì)刀具傾角與導(dǎo)角的有效改變，能夠避免復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工中的局部加工干涉或全局干涉，進(jìn)而在算法優(yōu)化中確定刀具傾角與導(dǎo)角的最佳取值，滿(mǎn)足曲面加工要求的同時(shí)確保五軸數(shù)控加工方式下工件質(zhì)量可靠性。

1.2 實(shí)踐中的算法實(shí)現(xiàn)方法

在尋找復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量?jī)?yōu)化方法的過(guò)程中，為了確保其相關(guān)的算法能夠得到優(yōu)化處理，則需要了解刀軸矢量?jī)?yōu)化算法的實(shí)現(xiàn)方法。具體表現(xiàn)為：

（1）若加工過(guò)程中未發(fā)生全局干涉，則應(yīng)根據(jù)插入加工點(diǎn)的實(shí)際情況，在計(jì)算機(jī)的支持下對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行遞歸計(jì)算，并控制好刀軸矢量間的夾角；

（2）若刀具加工中發(fā)生了全局與局部干涉，則需要在對(duì)應(yīng)的加工區(qū)域充分考慮加工過(guò)切的情況，并在處理過(guò)程中選取某一加工點(diǎn)的非干涉區(qū)域，將該區(qū)域命名為安全空間。實(shí)踐過(guò)程中若復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工的所有加工點(diǎn)能夠構(gòu)成安全空間集，則在該空間集所形成的可行域中能夠得到相應(yīng)的刀軸矢量方法，從而為工件加工中全局與局部干涉的避免提供參考依據(jù)；

（3）為了避免工件加工中出現(xiàn)加工過(guò)切現(xiàn)象，也需要在刀具進(jìn)入或離開(kāi)干涉區(qū)域處設(shè)置相應(yīng)的約束條件，并在計(jì)算機(jī)三維空間中確定刀軸矢量與刀具運(yùn)動(dòng)中干涉模型曲面之間的關(guān)系，且關(guān)系所涉及的對(duì)象之間是相互對(duì)應(yīng)等，促使刀軸矢量生產(chǎn)方法實(shí)踐應(yīng)用中能夠得到相應(yīng)的優(yōu)化算法。

同時(shí)，在加工點(diǎn)的刀軸矢量分析中，應(yīng)根據(jù)加工點(diǎn)數(shù)量的多少，確定相應(yīng)的線性關(guān)系或復(fù)雜程度高的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而確定所求的刀軸矢量，最終在連續(xù)可行域的支持下，確保復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量整體優(yōu)化有效性。

2 復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸可行域生成及加工過(guò)切的避免分析

2.1 加工點(diǎn)生產(chǎn)中的安全空間及刀軸的可行域

所謂的安全空間，是指復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工中某一加工點(diǎn)的非干涉區(qū)域。實(shí)踐過(guò)程中加強(qiáng)安全空間法使用，能夠?yàn)楣ぜ庸ぶ兴屑庸c(diǎn)刀軸矢量的安全空間集獲得提供支持，確保刀軸矢量計(jì)算精度的良好性，從而為五軸數(shù)控加工中加工過(guò)切現(xiàn)象的避免提供所需的參考信息。

在加工點(diǎn)安全空間生成的過(guò)程中，可從這些方面入手：

（1）結(jié)合實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工中加工點(diǎn)處表面法向量的合理運(yùn)用，設(shè)置好加工過(guò)程中的局部干涉判定條件；

（2）將刀具表面與干涉曲面分別看作STSI[2]，對(duì)二者是否相交進(jìn)行判斷，確定全局干涉條件。當(dāng)這些判定條件設(shè)置好后，應(yīng)根據(jù)加工過(guò)程中加工點(diǎn)的實(shí)際情況，生成對(duì)應(yīng)的安全空間。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)加工點(diǎn)域的安全空間集，采用連續(xù)疊加的方法在刀具傾角及導(dǎo)角域內(nèi)得到各加工點(diǎn)的投影，從而確定所求的可行域。

2.2 刀軸可行域的優(yōu)化

為了避免加工過(guò)程中出現(xiàn)局部干涉或全局干涉，全面提高工件加工效率，延長(zhǎng)刀具使用壽命，則需要對(duì)刀具可行域進(jìn)行優(yōu)化處理。具體表現(xiàn)為：

（1）根據(jù)刀具運(yùn)動(dòng)路徑，將各加工點(diǎn)的角度的二階導(dǎo)數(shù)控制在最小的范圍內(nèi)，確保刀具旋轉(zhuǎn)動(dòng)作處于可行域中；

（2）在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)的支持下，確定刀具傾角與導(dǎo)角最優(yōu)值。

2.3 避免加工過(guò)切時(shí)的刀軸矢量?jī)?yōu)化

結(jié)合上述所述的安全空間法，為了避免復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工中出現(xiàn)加工過(guò)切現(xiàn)象，則需要對(duì)刀軸矢量進(jìn)行優(yōu)化處理。具體表現(xiàn)為[3]：

（1）在計(jì)算機(jī)三維空間中，確定出加工中可行域內(nèi)的加工點(diǎn)數(shù)目，進(jìn)而在擬合函數(shù)的作用下確定這些點(diǎn)對(duì)應(yīng)的傾角與導(dǎo)角，最終生成有效的刀軸矢量，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)切現(xiàn)象的有效應(yīng)對(duì)；

（2）在加工可行域的支持下，將各加工點(diǎn)的軌跡連接起來(lái)，進(jìn)行確定相應(yīng)的刀軸矢量。實(shí)踐過(guò)程中若將這些措施實(shí)施到位，則能為刀軸矢量?jī)?yōu)化提供可靠保障，提高工件加工質(zhì)量。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量?jī)?yōu)化方法具有重要的應(yīng)用價(jià)值：確保工件加工質(zhì)量可靠性，優(yōu)化五軸數(shù)控加工中的刀具工作性能，從而為工件整體加工水平的不斷提升提供科學(xué)保障。因此，未來(lái)復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工過(guò)程中相關(guān)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，給予其刀軸矢量?jī)?yōu)化方法使用足夠的重視，并在實(shí)踐生產(chǎn)中對(duì)加工刀具性能及工件質(zhì)量可靠性進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，以便為該方法實(shí)際應(yīng)用范圍擴(kuò)大打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]季榮榮.關(guān)于復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量?jī)?yōu)化方法的重要探究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2014（17）：57-58.

[2]趙吉賓，劉偉軍.復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量?jī)?yōu)化方法研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013（07）：176-177.

[3]鐘 波.復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工中刀具位姿優(yōu)化研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)理工大學(xué)，2013.