适用于任意刀具的多轴轨迹防过切算法

摘要

复杂曲面的精加工轨迹一直是多轴数控加工领域研究的热点和难点,而刀具轨迹防过切算法作为多轴数控加工中的关键直接决定了加工精度、加工效率、表面质量和刀具寿命。过切会加速刀具磨损，减少刀具寿命，并且对零件的尺寸造成影响，严重时甚至导致加工件完全报废，在实际应用中经常遇到由于CAM系统生成的轨迹有过切而不得不更换刀具、修改加工工艺的情况。
　　本文针对复杂组合曲面构成的曲面的精加工轨迹，利用基于投影法和刀具分区的方法进行过切检测，提出了一种针对5轴和4轴加工的过切检测和防过切的算法。本算法提出了基于投影法和刀具分区的过切检测算法和防过切算法，该算法适用于多种刀具，并且适用于组合曲面，能同时处理前切和根切。刀具分区可以方便过切分类，给前切和根切明确的区分标准。基于投影法和刀具分区的过切检测算法可以明显提高过切检测的精度和适用范围。通过投影法处理前切，通过调整刀轴旋转处理根切。刀轴优化算法保证加工过程中始终由刀具的前缘进行切削，实现刀轴优化。通过线性再二分法搜索临界刀轴，加速了搜索过程，提高了程序的效率。本文的算法已由C++程序实现，并集成于CAM软件中。
　　本文提出的算法可用于具有复杂曲面的工件几何表面的精加工，可保证较高的加工精度和表面质量，可适应所有六参数铣刀，可满足企业对具有复杂曲面的工件的高加工精度要求，且对于国内自主研发用于加工具有复杂组合曲面的工件的高端CAM软件具有重要的指导意义，可节约从国外购买高端CAM软件的成本，具有一定的经济性。
　　本文以典型的具有复杂组合曲面的汽轮机叶片的五轴精加工为实例，通过调整切削参数和刀具参数，应用已集成该算法的CAM软件生成叶身精加工轨迹，然后用防过切算法对刀轴和刀位点信息进行调整。最后用UGNX软件对轨迹进行分析，发现工件表面几乎没有过切和欠切，且加工误差低于0.01毫米，轨迹光滑平顺。

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1 概论

1.1 课题来源

1.2 多轴复杂曲面加工背景及防过切方法的不足

1.3 多轴加工刀具轨迹防过切算法的研究目的与意义

1.4 主要研究内容

1.5 本章小结

2 刀具轨迹相关概念以及等参数线法简介

2.1 坐标系及坐标系变换

2.2 刀具轨迹的相关概念

2.3 刀具轨迹的评价标准

2.4 等参数线生成叶身精加工轨迹简介

2.5 本章小结

3 五轴轨迹过切检测和防过切算法

3.1 算法设计目的

3.2 算法描述

3.3 基于投影法和刀具分区的过切检测方法

3.4 防过切的方法与刀轴优化方法

3.5 三种搜索优化方法

3.6 基于投影法的碰撞检测

3.7 本章小结

4 四轴轨迹根切检测和防根切算法

4.1 算法设计目的

4.2 算法描述

4.3 四轴根切检测方法

4.4 四轴防过切的方法

4.5 五轴防过切算法处理最后一圈轨迹

4.6 本章小结

5 实验与仿真

5.1 试验参数

5.2 实验结果

5.3 防根切的经济型分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献