復(fù)雜曲面的加工方法

復(fù)雜曲面的加工方法第一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日GP7200第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日2.數(shù)控加工

復(fù)雜曲面的數(shù)控加工主要包括三個方面:

1.曲面造型 2.數(shù)控編程 3.數(shù)控機(jī)床加工第十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日2.1曲面造型第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日

自由曲線是指不能用直線、圓弧和二次曲線描述的任意形狀的曲線。

自由曲面是指不能用基本立體要素（如棱柱、棱錐、球、有界平面等）描述的呈自然形狀的曲面。2.1.1曲線曲面基本理論第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日2.1.2曲面造型方法

復(fù)雜曲面造型常用的方法主要有Coons曲面、Bezier曲面和B樣條曲面三類。

由于NURBS曲面方便靈活，具有強(qiáng)大的形狀描述能力，被國際標(biāo)準(zhǔn)化IS0組織在STEP(工業(yè)產(chǎn)口數(shù)據(jù)交換)標(biāo)準(zhǔn)中定義為描述產(chǎn)品形狀的主要數(shù)學(xué)方法。 NURBS曲線曲面造型技術(shù)在許多商業(yè)化的CAD/CAM軟件中得到了成功的應(yīng)用，如UG、PROE等。第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日復(fù)雜曲面造型新方法 1.三角曲面 2.散亂數(shù)據(jù)插值曲面 3.變形造型技術(shù) 4.能量優(yōu)化法曲面 5.基于小波技術(shù)的曲線、曲面造型等技術(shù) 6.用偏微分方程構(gòu)造曲面等方法

第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日2.2數(shù)控編程

數(shù)控編程方法可以分為兩類： 1.手工編程 2.自動編程

第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日

三坐標(biāo)曲面加工（走刀路線）

數(shù)控加工工藝

五坐標(biāo)曲面加工（刀軸控制）

刀位數(shù)據(jù)及刀位計(jì)算（三、五）

數(shù)

刀具軌跡生成方法

控

刀具路徑規(guī)劃

走刀步長的確定

編

程

刀具干涉碰撞檢驗(yàn)和處理

幾何仿真\力學(xué)仿真

數(shù)控加工仿真 CL仿真\NC仿真第十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日2.2.1數(shù)控加工工藝

加工工藝的合理確定對實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)的數(shù)控加工具有極為重要的作用，其內(nèi)容包括：

選擇合適的機(jī)床

刀具

走刀路線

主軸速度

切削深度

進(jìn)給速率等第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日

三坐標(biāo)曲面加工可以采用球

頭刀、平底立銑刀、環(huán)形銑刀、

鼓形刀和錐形刀。其特征是加工

過程中刀具軸線方向始終不變，

平行于Z坐標(biāo)。

三坐標(biāo)曲面加工通過逐行加

工走刀（行切）來完成，通過刀

具沿切削行的運(yùn)動，近似包絡(luò)出

被加工曲面。

三坐標(biāo)曲面加工原理三坐標(biāo)曲面加工第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日走刀路線

圖a、b分別為沿參數(shù)曲面的u向和v向參數(shù)線走刀，c為環(huán)切走刀。

圖a中的刀具軌跡均勻（與截面線型刀具軌跡基本相當(dāng)），因而具有較高的加工效率與代碼值質(zhì)量。圖c方案變成相對復(fù)雜，主要應(yīng)用于邊界受限制的曲面。第十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日五坐標(biāo)曲面加工

五坐標(biāo)機(jī)床在三個平動軸基礎(chǔ)上增加兩個轉(zhuǎn)動軸，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面高效高質(zhì)量加工的重要手段。具有以下特點(diǎn)：

1.可避免刀具干涉，加工適應(yīng)性廣 2.對于直紋類曲面，可采用側(cè)銑方

式一刀成型，加工質(zhì)量好、效率

高。第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日 3.對于一般的立體面特備是較為平坦的大型表面，可用大直徑端銑刀貼近表面進(jìn)行加工，走刀次數(shù)少。殘余高度小，可以大大提高加工效率與表面質(zhì)量。 4.五軸加工時可以使刀具相對于工件表面總是處于最有效的切削狀態(tài)第二十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日 1.垂直于表面方式

即刀軸始終平行于個切削點(diǎn)處的表面法矢，適用于大型平坦無干涉凸曲面端銑加工。 2.平行于表面方式

即刀具軸線或母線始終處于各切削點(diǎn)的切平面內(nèi)，對應(yīng)方式一般為側(cè)銑。這種方式的重要應(yīng)用時直紋面的加工。 3.傾斜于表面方式

由刀軸矢量在局部坐標(biāo)系中與坐標(biāo)平面所成的兩個角度α和γ定義。其中，n為切削點(diǎn)處的單位法矢，a切削點(diǎn)處沿進(jìn)給方向的切矢，v=nxa,(a,v,n)為切削點(diǎn)處的局部坐標(biāo)系。α為前傾角；γ為傾斜角

常見的刀軸控制方式：第二十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日2.2.2刀具路徑規(guī)劃

刀具路徑規(guī)劃是復(fù)雜曲面數(shù)控加工中最重要的內(nèi)容。它是通過曲面的幾何模型，根據(jù)所選的機(jī)床、刀具、走刀方式、加工余量等工藝方法進(jìn)行刀位計(jì)算并生成加工運(yùn)動軌跡。

其中涉及到的核心問題包括： 1.刀位數(shù)據(jù)及刀位計(jì)算 2.刀位軌跡生成方法 3.步長計(jì)算 4.干涉碰撞的檢測和處理等

第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日刀位數(shù)據(jù)及刀位計(jì)算

刀位點(diǎn)即CL點(diǎn)（CutterLocation），是刀具在空間的位置點(diǎn)。刀具軌跡即刀位點(diǎn)的軌跡。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中采用刀具軸線的頂點(diǎn)或端點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)的刀位點(diǎn)。

對于三坐標(biāo)曲面加工刀位計(jì)算：第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日

由于五坐標(biāo)加工曲面，刀具位置和刀具軸線的方向都是變化的，因此，五坐標(biāo)加工的刀具軌跡是由工件坐標(biāo)系中的刀位點(diǎn)位置矢量和刀具軸線方向矢量組成。

切削點(diǎn)位矢為r、則刀位點(diǎn)p的位矢

和刀軸單位矢量為第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日 1.參數(shù)線法

是以被加工曲面的參數(shù)線

作為刀具接觸點(diǎn)路徑來生成刀

具軌跡。曲面的參數(shù)方程為：

刀具軌跡生成方法第二十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日2.CC路徑截面線法

在走刀過程中，將刀具與被加工曲面的CC點(diǎn)（接觸點(diǎn)）約束在另一組曲面內(nèi)，即用一組約束曲面與被加工曲面的截交線作為刀具接觸點(diǎn)路徑來生成刀具軌跡。

常用的約束面有平面、柱面等簡單的曲面。第二十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日3.CL路徑截面線法

直接用一組約束曲面與被加工曲面的刀具偏置面的截交線作為刀具軌跡。

兩種計(jì)算方法： 1.直接構(gòu)造法，又叫偏置法如圖（a） 2.通過迭代計(jì)算在約束面上求取刀具與被加工面相切的一系列刀位點(diǎn)，由此構(gòu)成刀具軌跡。如圖（c）第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日4.導(dǎo)動面法

通過引入導(dǎo)動面來對走刀過程進(jìn)行約束，使刀具始終保持與曲面與導(dǎo)動面相切。

由于導(dǎo)動面計(jì)算復(fù)雜，一般用于組合曲面的交線清根處理。第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日走刀步長確定

曲面加工的刀具軌跡理論上是由刀具與曲面的嚙合關(guān)系所確定的復(fù)雜曲線，由于CNC插補(bǔ)能力的限制，該軌跡只能用一系列小直線段進(jìn)行插補(bǔ)。

走刀步長（逼近線段）

第三十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日曲面加工刀具軌跡步長算法 1.等步長法：

包括等參數(shù)步長和等距離步長，為滿足加工精度，通常參數(shù)步長取值偏于保守，所以計(jì)算點(diǎn)位信息多。 2.步長篩選法

先以等步長法對刀具軌跡密集離散，然后根據(jù)各點(diǎn)的實(shí)際誤差刪除不必要的點(diǎn)。 3.補(bǔ)償估計(jì)法

根據(jù)當(dāng)前刀具接觸點(diǎn)的局部幾何形狀與走刀方向來估計(jì)滿足精度要求的步長，再由此確定下一刀位點(diǎn)的位置。第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日干涉檢測和處理

用一定尺寸的刀具加工曲面時，由于曲面各點(diǎn)曲率的不同會產(chǎn)生過切和欠切的情況。由于五坐標(biāo)刀軸的可控性，其干涉檢查和處理比三坐標(biāo)復(fù)雜的多。第三十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日干涉情況 1.刀頭干涉

主要發(fā)生在曲面上的內(nèi)凹區(qū)域和曲面與平面的連接處 2.刀軸干涉

主要發(fā)生在異型曲面、加工通道、型腔類零件第三十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日干涉檢測方法 1.直接距離計(jì)算法

通過直接計(jì)算刀具表面與曲面的距離來判斷，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，直到刀具表面與曲面的距離滿足要求。

該方法需要迭代計(jì)算，計(jì)算量大。 2.多面體法

首先將曲面離散成一系列滿足精度要求的三角片，將曲面轉(zhuǎn)化為多面體離散平面，通過計(jì)算刀具與多面體的距離來判斷是否干涉，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，直到刀具表面與曲面的距離滿足要求。

計(jì)算可靠，應(yīng)用廣泛。第三十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日干涉處理方法 1.軸向移動

使刀具沿刀軸方向移動到一個新的位置 2.軸線擺動

保持接觸點(diǎn)不動，通過擺動刀具軸線到一個新的方向第三十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日

3.軸線平移

使刀具在垂直于刀軸平面內(nèi)沿曲面法矢方向平移到一個新的方向第三十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日2.2.3數(shù)控加工仿真

目前NC切削過程仿真分為：

幾何仿真：基于后置處理前的CL數(shù)據(jù)(刀位數(shù)據(jù))所進(jìn)行的

仿真