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关于优化设计数控加工刀具轨迹的几个问题

对于一个复杂程度高、精度要求高、需要用数控机床来加工的零件，如何从CAD产生的设计图，通过CAM变成实仓储笼际的实物产品，是CAD/CAM的技术目标。其中一个重要的技术环节是如何根据CAD设计图和具体加工刀具的有关参数，设计出NC刀具的运动轨迹。刀具运动轨迹设计质量的好坏，将直接影响零件的加工质量及加工成本。这里研究并解决了刀轨设计中的几个优化问题，并在自已开发设计的CAD/CAM系统的NC刀具运动轨迹设计中得到很好地应用。

1 NC刀具运动轨迹设计中的误差源

在计算机自动编制数控程序前，必须根据零件的轮廓，产生相应的刀具运动轨迹。刀具的尺寸不一样，设计产生的刀具运动轨迹也不一样。因此误差将产生于刀具的尺寸和刀具运动轨迹的设计算法两个方面。

1. 刀具尺寸的影响

主要是以刀具公称尺寸作为刀具运动轨迹的设计参数而引起的。在进行刀具运动轨迹设计的计算时，刀具的尺寸应该是刀具的实际尺寸，这样就可以避免由于刀具尺寸有数控铣床误而引起的误差。

2. 刀具运动轨迹设计算法的影响

主要是由算法设计者考虑不周而引起的：

a. 刀具沿零件轮廓的法向切入时，由于机床运动惯性引起的刀痕误差。

b. 在加工零件的轮廓包围面时，为使加工能连续进行，同时避免在轮廓加工起点上出现交点的重合，引起计算机在数控编程时无法判定下一步的走向，往往采取分离加工轮廓的起点和终点的方法。但是，当简单的采用打断轮廓面曲线的方式，就会产生轮廓加工误差。

c. 对于零件轮廓锐角外拐角尖角处的加工，为了使尖角能够很好的保留，若严格按照轮廓的尖角来设计，所产生的刀具轨迹会使加工消耗大量的时间做无意义的运动，而且还很有可能产生对零件其他部分的干涉，造成加工零件的报废。

d. 当采用复合轨迹加工时，如何设计出较优化的刀轨，即保证加工质量，又使加工路径最短，是值得研究的问题。

2 刀轨设计中的几个优化问题

1. 刀痕误差解决方法

对于减小刀具切入方向不同可能引起刀痕误差的解决办法是：尽量避免沿零件轮廓的法向切入点温计，尽量沿零件轮廓的切向切入。对于有些有特殊加工起点要求的零件，一味地追求切向切入，可能产生干涉。为此，在切入点的设计中我们采用了分别对待的办法成猫猫粮。对于圆柱体，设置了自动优化为切向切入的功能;对于其它的轮廓采用在计算机的揭示帮助下，用人机对话的方式来设定优化切入点。这样既避免了为追求某一目标而出现新的问题，又发挥了计算机和人的各自优势。

2.零件的加工

在加工零件的轮廓包围面时，首先要保证各轮廓被完整地加工出来，同时避免在加工过程中出现重合的交点以使加工能连续进行。为达到这一目的，在零件的轮廓上我们做了如正气处理：先切断轮廓曲线，然后根据原轮廓曲线的设计，加长轮廓曲线，使刀具加工的轨迹通过起点后，再沿着轮廓曲线前进0.5mm左右才达到终点。这样设计的终点就能顺利地与刀具的下一步加工轨迹相连接，同时轮廓面也能被完整光滑地加工出来。

3.锐角外拐角尖角处的自动优化设计

a.外拐角尖角处的分析

尖角处的情况

如图所示，刀具运动轨迹中心离开零件实际轮廓(尖角处)的距离DS为：

DS=RO÷sina/2

其中：RO为刀具半径，a为尖角角度。

距离与尖角角度的关系如表1所示。从中可以看出，当尖角角度小于60°(DS=2RO)以后，DS距离增加开始加快，这时采用优化刀具运动轨迹的技术将起到很好的效果。

b.算法简介

第一步，找出刀具运动轨迹中“线与线”相连接点PT1。

第二步，测量接点PT1到零件轮廓上“线与线”接点PS1间距离DS，当DS=RO(刀具半径)时，返回第一步，继续往下寻找，直到整个加工刀具运动轨迹查找完毕后，转到第七步。

第三步，DS>RO时，检查角PT23A>60°，返回第一步。

第四步，以PT1为圆心、DS-RO为半径作圆，使该圆内的线段截断删除。

第五步，用直线连接两个断点，形成优化刀具运动轨迹。

第六步，检查整个加工刀具运动轨迹是否查找完毕，若没有查找完，则返回第一步。

第七步，停止工作。

4.复合刀具运动轨迹的优化设计

所谓复合刀轨，是指在加工轮廓及其所包围的面时(包围面内可以有保物体，如凸台等)，玻璃钢管/弹性元件疲劳寿命实验机为保证轮廓质量又能使轮廓面内得到完整的加工，设计时先按轮廓加工，再按平行轨迹加工轮廓包围的面。为设计出最短距离的优化轨迹，采取了先离散各刀轨，然后用优化算法连接设计出优化刀轨。优化算法是：

1. 从连接的起始点出发，检查各个需要连接的离散轨迹，从中找出距离起始点最有限氧指数到达了～32.8 %(图1);同时该类环氧树脂在燃烧实验中近的轨迹端点。

2. 用直线连接起始点及最近的轨迹端点，并设该段轨迹的另个端点为新的起始点

3. 判别是否还有需要连接的离散轨迹，有则返回a继续，否则结束优化设计工作。

3 结束语

通过对NC加工刀具运动轨迹设计中的误差分析，讨论研究了NC刀具路径优化问题。找出了减少和消除设计误差的方法，建立并开发了优化刀具加工路径的算法和应用程序，并嵌入了开发设计的作为提供创新材料解决方案的战略供应商CAD/CAM系统中，为实现自动生成刀具加工路径提供了方便。对实现CAD/CAM技术具有很好的参考价值。(end)

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