季榮榮

（南通工貿(mào)技師學(xué)院,江蘇 南通226000）

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

季榮榮

（南通工貿(mào)技師學(xué)院,江蘇 南通226000）

當(dāng)前五軸加工方法應(yīng)用于加工中曲面形狀的干涉與突變處理時(shí)，會(huì)在其前后的加工點(diǎn)中出現(xiàn)刀軸矢量的一種劇烈變化，這就使得刀具破損而對(duì)加工的質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響。因此，要想有效的解決這一問(wèn)題，就是生成刀軸的光順軌跡，而對(duì)于光順刀軸生成矢量的問(wèn)題，這種方法第一步在不受干涉的區(qū)域中有效的插入限定加工點(diǎn)位，從而確保刀軸矢量得到整體優(yōu)化，從而防止過(guò)切加工同時(shí)又不使加工點(diǎn)數(shù)目增加，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)刀軸矢量?jī)?yōu)化。

復(fù)雜曲面;五軸數(shù)控;刀軸矢量;優(yōu)化措施

1 前言

近幾年來(lái)，五軸加工在數(shù)控加工領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，該加工方法是相對(duì)三軸加工方式而言的，利用五軸加工技術(shù)，可以有效提高復(fù)雜曲面加工質(zhì)量，并保證加工的表面更加的精確，在汽輪機(jī)的葉片、船用的螺旋槳和推進(jìn)器等復(fù)雜曲面工件中被廣泛的應(yīng)用[1]。但是，因?yàn)樵黾恿藘蓚€(gè)旋轉(zhuǎn)軸，要想實(shí)施五軸加工就必須要掌握更加反復(fù)的技術(shù)，此外，五軸加工的這一特征也不利于充分發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值?，F(xiàn)階段對(duì)于五軸加工的刀具軌跡規(guī)劃研究一般要求我們針對(duì)加工表面軌跡的生成情況以及干涉狀況進(jìn)行重點(diǎn)處理，同時(shí)強(qiáng)調(diào)加工過(guò)程中的刀路插值設(shè)計(jì)，但是忽視公共工作中的刀軸矢量，不利于對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，假如在加工過(guò)程中刀軸矢量出現(xiàn)過(guò)大變化就會(huì)對(duì)道具造成損傷，阻礙加工工作的正常開(kāi)展，不利于保證加工質(zhì)量，情節(jié)嚴(yán)重的還會(huì)引發(fā)工件報(bào)廢現(xiàn)象由此可知，對(duì)于刀軸的矢量?jī)?yōu)化研究至關(guān)重要。

2 刀軸矢量的優(yōu)化生成對(duì)策

要想有效的優(yōu)化刀軸矢量，需要注意的問(wèn)題很多，比如：防止出現(xiàn)加工奇點(diǎn)與加工干涉及過(guò)切現(xiàn)象，避免加工工作出現(xiàn)重復(fù)或者發(fā)生漏加工問(wèn)題，此外，還必須要對(duì)最小退刀次數(shù)進(jìn)行有效明確，確定加工數(shù)量的最小值。以上優(yōu)化途徑的實(shí)施均需要在在確保加工精度的基礎(chǔ)前提下實(shí)施，才能避免因加工曲面形狀出現(xiàn)變形為導(dǎo)致刀軸矢量發(fā)生改變，另外，在加工工作中還應(yīng)該注意避免發(fā)生全局干涉情況，盡量減少或杜絕出現(xiàn)局部干涉，針對(duì)干涉區(qū)域出現(xiàn)的例如加工過(guò)切等問(wèn)題，首先要對(duì)刀軸矢量實(shí)施有效優(yōu)化[2]。我們必須要通過(guò)科學(xué)控制、優(yōu)化刀軸矢量，實(shí)現(xiàn)提高幾何學(xué)上的刀軸矢量光順質(zhì)量的目的，因此，本文針對(duì)非干涉區(qū)域的刀軸矢量光順途徑進(jìn)行了探討，主要探討內(nèi)容包括：（1）利用加工點(diǎn)的插入，保證各個(gè)刀軸矢量位置的前后夾角均能小于預(yù)設(shè)夾角數(shù)值，實(shí)現(xiàn)刀軸光順。（2）在達(dá)到刀軸光順要求的基礎(chǔ)上研究干涉區(qū)域范圍內(nèi)的科學(xué)角度，避免發(fā)生局部干涉或者全局干涉，通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)加工工作的完善和優(yōu)化，避免出現(xiàn)加工過(guò)切等問(wèn)題。

3 計(jì)算方法

（1）在沒(méi)有發(fā)生全局干涉的加工位置，假如其前后加工矢量夾角之間存在較大差異，應(yīng)該根據(jù)插入加工點(diǎn)，對(duì)符合插入刀軸矢量的加工點(diǎn)設(shè)施計(jì)算，并針對(duì)該加工點(diǎn)開(kāi)展遞歸計(jì)算，判斷該點(diǎn)能不能有效進(jìn)行插值操作[3]。在進(jìn)行加工點(diǎn)插入時(shí)，應(yīng)該綜合分析下刀軸矢量夾角約束的條件，即：[f(s)-f(m)/f(s)]≤εf

在這個(gè)公式當(dāng)中，f(s)代表現(xiàn)階段加工點(diǎn)以及下一個(gè)加工點(diǎn)的刀軸矢量夾角；f(m)代表待插入點(diǎn)以及下一個(gè)加工點(diǎn)的刀軸矢量夾角；εf則代表給定角度存在的誤差。

（2）在出現(xiàn)全局與局部干涉區(qū)域處，要同時(shí)防止干涉，并且防止在剛進(jìn)入和退出干涉區(qū)域中所出現(xiàn)的加工過(guò)切現(xiàn)象。而為了更加清晰的了解這個(gè)區(qū)域刀軸矢量?jī)?yōu)化的生成方式，文章主要采取的是安全空間概念。

根據(jù)安全空間概念雖然能夠在干涉區(qū)域范圍內(nèi)順利獲得刀軸矢量光順的可行與范圍，但是僅僅依靠其可性欲很難有效防止進(jìn)入與退出干涉區(qū)域時(shí)刀軸矢量產(chǎn)生突變狀況。假如僅僅在進(jìn)入干涉區(qū)域范圍的位置以及退出干涉區(qū)域范圍的位置進(jìn)行刀軸矢量光順很難杜絕加工過(guò)切問(wèn)題的發(fā)生[4]。所以，在進(jìn)出干涉區(qū)域的過(guò)程中，可以利用加工點(diǎn)刀軸矢量間夾角，順利構(gòu)建附加矢量相應(yīng)的約束條件，通過(guò)這種方式成功計(jì)算出加工點(diǎn)位刀軸矢量，并科學(xué)評(píng)估其與干涉模型曲面之間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在對(duì)刀軸矢量實(shí)施優(yōu)化時(shí)必須要防止加工過(guò)切，并生成刀軸矢量光順的首要步驟。在進(jìn)入與退出干涉區(qū)域加工點(diǎn)引入矢量附加的約束條件，如下所示：

[f(Pin)-f(Pin-1)/f(Pin)]≤εf

[f(Pout)-f(Pout+1)/f(Pout)-]≤εf

在這個(gè)公式中，f(Pin)代表進(jìn)入到干涉區(qū)域中首個(gè)加工點(diǎn)以及之后一個(gè)加工點(diǎn)刀軸矢量之間形成的夾角；f(Pin-1)表示進(jìn)入到干涉區(qū)域前一個(gè)加工點(diǎn)和進(jìn)入到干涉區(qū)域首個(gè)加工點(diǎn)刀軸矢量的夾角；f(Pout+1)代表干涉區(qū)域末個(gè)加工點(diǎn)以及下一個(gè)加工點(diǎn)刀軸矢量形成的夾角；εf表示其與給定角度之間存在的誤差。

綜合分析以上條件，能夠?qū)Φ遁S矢量進(jìn)出干涉區(qū)域過(guò)程中的處理方式進(jìn)行判斷，確定是否需要避免加工過(guò)切，之后明確開(kāi)展矢量旋轉(zhuǎn)的加工點(diǎn)處理項(xiàng)目

4 安全空間判定條件與生成方法

4.1 判定的條件

局部干涉：通過(guò)分析加工點(diǎn)表面的法向量可以對(duì)局部干涉進(jìn)行確定，針對(duì)刀軸矢量的各個(gè)加工點(diǎn)，最多只能覆蓋到與其相對(duì)應(yīng)的半球區(qū)域。

全局干涉：可以有干涉曲面與刀具表面相交與否來(lái)判斷。

4.2 生成的方法

因?yàn)榘踩臻g在生成各點(diǎn)的過(guò)程中具備一定的連續(xù)性，所以在對(duì)其采集精度實(shí)施設(shè)定工作時(shí)要根據(jù)其實(shí)際的連續(xù)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定，把禁行區(qū)域各個(gè)空間區(qū)域的邊線，分別向新的安全空間偏置，并將其新組成的各個(gè)偏置編元素收集起來(lái)，從而生成安全空間[5]。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章提出了數(shù)控加工的優(yōu)化方法中充分的考慮到其物理過(guò)程，也就是加工的過(guò)程中刀具矢量動(dòng)力學(xué)對(duì)于加工質(zhì)量存在的一些影響等，提出了相關(guān)的優(yōu)化方案，防止刀軸矢量的過(guò)大變化給工件引起的沖擊，從而有效的把加工質(zhì)量進(jìn)一步提高。

[1]張鳴,劉偉軍,卞宏友.基于自由區(qū)域的環(huán)切軌跡優(yōu)化連接方法[J].中國(guó)機(jī)械工程，2011(04):254-255.

[2]畢慶貞,王宇晗,朱利民,丁漢.刀觸點(diǎn)網(wǎng)格上整體光順五軸數(shù)控加工刀軸方向的模型與算法[J].中國(guó)科學(xué):技術(shù)科學(xué)，2010(10):102-103.

[3]王晶,張定華,吳寶海,羅明.基于臨界約束的四軸數(shù)控加工刀軸優(yōu)化方法[J]機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012(17):271-272.

[4]畢慶貞,王宇晗,朱利民,丁漢.刀觸點(diǎn)網(wǎng)格上整體光順五軸數(shù)控加工刀軸方向的模型與算法[J].中國(guó)科學(xué):技術(shù)科學(xué)，2010(10):634-635.

[5]尹周平,丁漢,熊有倫.基于可視錐的可接近性分析方法及其應(yīng)用[J].中國(guó)科學(xué)E輯:技術(shù)科學(xué)，2003(11):357-358.