关于复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法的重要探究

季荣荣

（南通工贸技师学院,江苏 南通226000）

关于复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法的重要探究

季荣荣

（南通工贸技师学院,江苏 南通226000）

当前五轴加工方法应用于加工中曲面形状的干涉与突变处理时，会在其前后的加工点中出现刀轴矢量的一种剧烈变化，这就使得刀具破损而对加工的质量产生直接的影响。因此，要想有效的解决这一问题，就是生成刀轴的光顺轨迹，而对于光顺刀轴生成矢量的问题，这种方法第一步在不受干涉的区域中有效的插入限定加工点位，从而确保刀轴矢量得到整体优化，从而防止过切加工同时又不使加工点数目增加，进而实现刀轴矢量优化。

复杂曲面;五轴数控;刀轴矢量;优化措施

1 前言

近几年来，五轴加工在数控加工领域中的应用越来越广泛，该加工方法是相对三轴加工方式而言的，利用五轴加工技术，可以有效提高复杂曲面加工质量，并保证加工的表面更加的精确，在汽轮机的叶片、船用的螺旋桨和推进器等复杂曲面工件中被广泛的应用[1]。但是，因为增加了两个旋转轴，要想实施五轴加工就必须要掌握更加反复的技术，此外，五轴加工的这一特征也不利于充分发挥其应用价值。现阶段对于五轴加工的刀具轨迹规划研究一般要求我们针对加工表面轨迹的生成情况以及干涉状况进行重点处理，同时强调加工过程中的刀路插值设计，但是忽视公共工作中的刀轴矢量，不利于对其进行优化，假如在加工过程中刀轴矢量出现过大变化就会对道具造成损伤，阻碍加工工作的正常开展，不利于保证加工质量，情节严重的还会引发工件报废现象由此可知，对于刀轴的矢量优化研究至关重要。

2 刀轴矢量的优化生成对策

要想有效的优化刀轴矢量，需要注意的问题很多，比如：防止出现加工奇点与加工干涉及过切现象，避免加工工作出现重复或者发生漏加工问题，此外，还必须要对最小退刀次数进行有效明确，确定加工数量的最小值。以上优化途径的实施均需要在在确保加工精度的基础前提下实施，才能避免因加工曲面形状出现变形为导致刀轴矢量发生改变，另外，在加工工作中还应该注意避免发生全局干涉情况，尽量减少或杜绝出现局部干涉，针对干涉区域出现的例如加工过切等问题，首先要对刀轴矢量实施有效优化[2]。我们必须要通过科学控制、优化刀轴矢量，实现提高几何学上的刀轴矢量光顺质量的目的，因此，本文针对非干涉区域的刀轴矢量光顺途径进行了探讨，主要探讨内容包括：（1）利用加工点的插入，保证各个刀轴矢量位置的前后夹角均能小于预设夹角数值，实现刀轴光顺。（2）在达到刀轴光顺要求的基础上研究干涉区域范围内的科学角度，避免发生局部干涉或者全局干涉，通过这种方式实现对加工工作的完善和优化，避免出现加工过切等问题。

3 计算方法

（1）在没有发生全局干涉的加工位置，假如其前后加工矢量夹角之间存在较大差异，应该根据插入加工点，对符合插入刀轴矢量的加工点设施计算，并针对该加工点开展递归计算，判断该点能不能有效进行插值操作[3]。在进行加工点插入时，应该综合分析下刀轴矢量夹角约束的条件，即：[f(s)-f(m)/f(s)]≤εf

在这个公式当中，f(s)代表现阶段加工点以及下一个加工点的刀轴矢量夹角；f(m)代表待插入点以及下一个加工点的刀轴矢量夹角；εf则代表给定角度存在的误差。

（2）在出现全局与局部干涉区域处，要同时防止干涉，并且防止在刚进入和退出干涉区域中所出现的加工过切现象。而为了更加清晰的了解这个区域刀轴矢量优化的生成方式，文章主要采取的是安全空间概念。

根据安全空间概念虽然能够在干涉区域范围内顺利获得刀轴矢量光顺的可行与范围，但是仅仅依靠其可性欲很难有效防止进入与退出干涉区域时刀轴矢量产生突变状况。假如仅仅在进入干涉区域范围的位置以及退出干涉区域范围的位置进行刀轴矢量光顺很难杜绝加工过切问题的发生[4]。所以，在进出干涉区域的过程中，可以利用加工点刀轴矢量间夹角，顺利构建附加矢量相应的约束条件，通过这种方式成功计算出加工点位刀轴矢量，并科学评估其与干涉模型曲面之间存在的对应关系，在对刀轴矢量实施优化时必须要防止加工过切，并生成刀轴矢量光顺的首要步骤。在进入与退出干涉区域加工点引入矢量附加的约束条件，如下所示：

[f(Pin)-f(Pin-1)/f(Pin)]≤εf

[f(Pout)-f(Pout+1)/f(Pout)-]≤εf

在这个公式中，f(Pin)代表进入到干涉区域中首个加工点以及之后一个加工点刀轴矢量之间形成的夹角；f(Pin-1)表示进入到干涉区域前一个加工点和进入到干涉区域首个加工点刀轴矢量的夹角；f(Pout+1)代表干涉区域末个加工点以及下一个加工点刀轴矢量形成的夹角；εf表示其与给定角度之间存在的误差。

综合分析以上条件，能够对刀轴矢量进出干涉区域过程中的处理方式进行判断，确定是否需要避免加工过切，之后明确开展矢量旋转的加工点处理项目

4 安全空间判定条件与生成方法

4.1 判定的条件

局部干涉：通过分析加工点表面的法向量可以对局部干涉进行确定，针对刀轴矢量的各个加工点，最多只能覆盖到与其相对应的半球区域。

全局干涉：可以有干涉曲面与刀具表面相交与否来判断。

4.2 生成的方法

因为安全空间在生成各点的过程中具备一定的连续性，所以在对其采集精度实施设定工作时要根据其实际的连续点进行设定，把禁行区域各个空间区域的边线，分别向新的安全空间偏置，并将其新组成的各个偏置编元素收集起来，从而生成安全空间[5]。

5 结束语

综上所述，文章提出了数控加工的优化方法中充分的考虑到其物理过程，也就是加工的过程中刀具矢量动力学对于加工质量存在的一些影响等，提出了相关的优化方案，防止刀轴矢量的过大变化给工件引起的冲击，从而有效的把加工质量进一步提高。

[1]张鸣,刘伟军,卞宏友.基于自由区域的环切轨迹优化连接方法[J].中国机械工程，2011(04):254-255.

[2]毕庆贞,王宇晗,朱利民,丁汉.刀触点网格上整体光顺五轴数控加工刀轴方向的模型与算法[J].中国科学:技术科学，2010(10):102-103.

[3]王晶,张定华,吴宝海,罗明.基于临界约束的四轴数控加工刀轴优化方法[J]机械工程学报，2012(17):271-272.

[4]毕庆贞,王宇晗,朱利民,丁汉.刀触点网格上整体光顺五轴数控加工刀轴方向的模型与算法[J].中国科学:技术科学，2010(10):634-635.

[5]尹周平,丁汉,熊有伦.基于可视锥的可接近性分析方法及其应用[J].中国科学E辑:技术科学，2003(11):357-358.