【正文】 廓圖形。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)不僅提高了機(jī)械加工的生產(chǎn)效率，更重要的是主要應(yīng)用 在航空航天，軍工模具等行業(yè)。 五軸數(shù)控編程技術(shù)：五軸數(shù)控編程難度大是該技術(shù)應(yīng)用的瓶頸問題，對刀 具軸線的合理控制是研究的關(guān)鍵問題，其中，刀具軌跡的驅(qū)動(dòng)方式也是提高提 高加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素所作。 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的特點(diǎn)： 所謂五軸聯(lián)動(dòng)加工是指一臺(tái)機(jī)床上五個(gè)坐標(biāo)軸同時(shí)控制協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加 工．五軸聯(lián)動(dòng)加工一般是指三個(gè)坐標(biāo)軸和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸同時(shí)協(xié)調(diào)加工，旋轉(zhuǎn)軸的 參與是刀具切削過程中始終處于最佳的切削狀態(tài)成為了可能。近幾年來，作為機(jī)械加工領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，五軸 聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)的 研發(fā)和應(yīng)用得到了科研院所、高校和企業(yè)的極大關(guān)注。本文研究主題是復(fù)雜曲面的數(shù)控加工技術(shù)，通過對復(fù)雜曲 面數(shù)控加工過程中的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)分析，重點(diǎn)研究以下四個(gè)方面的問題：工程 圖表的數(shù)學(xué)處理；復(fù)雜五軸數(shù)控加工程序的編制；高速加工技術(shù)的應(yīng)用和五軸 數(shù)控加工后置程 序的開發(fā)。本課題針對復(fù)雜曲面的若干關(guān) 鍵技術(shù) 幾何建模技術(shù)、數(shù)控編程、加工技術(shù) 進(jìn)行研究。 1． 2 課題目標(biāo) 分析復(fù)雜零件五軸數(shù)控過 程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，為五軸數(shù)控加工技術(shù)的廣 泛應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。 1． 3 課題意義 本課題通過對復(fù)雜曲面數(shù)控加工的若干關(guān)鍵技術(shù) 幾何建模技術(shù)，數(shù)控加 工技術(shù) 進(jìn)行研究。 2． 2 程數(shù)表的第二次數(shù)學(xué)處理 第一次逼近所取得的結(jié)果一般都不能直接用于編程，而必須取得逼近列表 曲線的直線或圓弧數(shù)據(jù)，這一擬合過程在編程中被稱為第二次數(shù)學(xué)處理 或稱 為第二次逼近 。但一般數(shù)控系統(tǒng)只具有直線，圓弧等少數(shù)插補(bǔ)功能，因此擬合所得 的曲線不能被數(shù)控系統(tǒng)處理，此時(shí)需要對給定的曲線按照允許的逼近誤差進(jìn)行 離散逼近。 2． 2． 3 等誤差逼近離散法的方法和特點(diǎn) 等誤差逼近法是使每個(gè)逼近段內(nèi)的誤差保持一致，因此是一種合理的逼近 方法，關(guān)鍵是算法的思想。因?yàn)樵跀?shù)控編程過程中的編程誤差時(shí) 往往比零件尺寸公差高一個(gè)數(shù)量級。以下分析五軸數(shù)控加工應(yīng)用中問題： 1 編程復(fù)雜、抽象、難以實(shí)施面對車問編程和調(diào)整。廣泛應(yīng)用 在航空，航天，汽車，模具等行業(yè)。 3． 2． 2 曲面的加工工藝分析 隨著數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械制造中復(fù)雜曲面的零件的加工需求量越來 越大，這些復(fù)雜曲面通常不能由傳統(tǒng)的非數(shù)控方法加工，或者加工效率與加工 質(zhì)量 難以滿足要求。常常選用圓 錐形刀具，特殊情況 下選用與零件母線一致的特制刀具，這樣可以顯著提高加 工效率和表面加工質(zhì)量。其定義方法的原則 是在保證加工質(zhì)量要求的情況下實(shí)現(xiàn)高的切削效率，同時(shí)避免加工中的干涉問 題和控制零件的欠切在可接受的程度。可以實(shí)現(xiàn) 大直徑刀具的端部銑削，從而獲得較大的切削寬度和行間切削殘余高度。同一曲面加工所選刀具軌跡的不同，其精度和效率是有很大 區(qū)別的．刀具軌跡優(yōu)劣評價(jià)的要素： l 刀具軌跡的長度：即對零件加工的刀具軌跡的總長度，包括刀具的有效 路徑的長度和不進(jìn)行切削的空行程長度。 驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的產(chǎn)生取決于驅(qū)動(dòng)方法的設(shè)定，可變軸銑削的驅(qū)動(dòng)方法主要有曲線 點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，邊界驅(qū)動(dòng)，螺旋驅(qū)動(dòng)和曲面驅(qū)動(dòng)等方法。 2 陶瓷刀具。刀具擺動(dòng)誤差是指編程過程中刀具軸線矢量的擺動(dòng)所引起的誤差 1 建立刀尖軌跡的直線方程。對上 式中函數(shù)對 x 求導(dǎo)得到下列關(guān)系： 可知，當(dāng)?shù)毒咻S線矢量 e O， y o 時(shí)，切削點(diǎn)軌跡為凹曲線；當(dāng)時(shí)，切削點(diǎn)軌跡為凸線；當(dāng)時(shí)，切削點(diǎn)在此時(shí)為函數(shù)曲線的拐點(diǎn)。刀 具軸線擺動(dòng)誤差既相關(guān)于刀具的半徑，又相關(guān)于所加工曲面的曲率和插補(bǔ)段的 弧長。因此，加工對象一般為三維的 cAD 模型，其形狀直接決定了刀具的加工， 是影響加工軌跡的主要方面，其精度則影響了最終的加工精度。補(bǔ)面的主要任務(wù)是連接 各曲面的邊界線對曲面進(jìn)行修正． 3 無須加工的特征處理 對加工要素?zé)o關(guān)的特征也會(huì)影響刀具的軌跡，對其的處理方法有兩種，一 是對該特征刪除或填充；二是刪除不必要的刀具加工軌 跡，即在生成刀具軌跡， 定義非加工區(qū)域。 3 CAM 刪軟件的性能影響 高速加工的實(shí)現(xiàn)也依賴于 CAM 提供特殊的加工策略來滿足需求。 3 進(jìn)退刀方式的選擇 盡量從毛坯的外面螺旋或曲線逼近，退刀。另外較小切削深度和大的切削速度，可以實(shí)現(xiàn) 切削力小，加工表面粗糙度小，能夠提高刀具壽命。處理的方法對應(yīng)用該后置處理程序時(shí)，其加工數(shù)控程序 必須在加工機(jī)床的轉(zhuǎn)軸 中心長度正好等于在開發(fā)后置處理程序時(shí)所設(shè)定的數(shù)值 時(shí)方可使用。相當(dāng)于普通三軸數(shù)控加工中的刀具長度補(bǔ)償。 6 此時(shí)，標(biāo)定該位置為 B 軸零點(diǎn) 4． 3． 2 C 軸零點(diǎn)標(biāo)定 一般情況下，由于 C 軸的旋轉(zhuǎn)軸與 Z 軸重合，所以其零點(diǎn)的設(shè)定可以任意 設(shè)置，但是為了第五軸的設(shè) 定和編程的方便，定義 C 軸處于零點(diǎn)位置時(shí)， B軸 軸線與 Y 軸重合。 如圖所示； + 1 定義各線段相等，并標(biāo)注其角度分別為：。 上述兩圖均為 B 軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，測量得到的，為了減少測量所帶 來的誤差，對上圖標(biāo)所列數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，求其算術(shù)平均值。 5：雙擺頭零點(diǎn)的可靠標(biāo)定是準(zhǔn)確測量的基礎(chǔ)。刀具軸線控制原則是兼顧高加工質(zhì)量和切削效率，同時(shí)避免加工 中可能存在的刀具與工件，夾具的干涉。 為了完成復(fù)雜曲面的五軸加工編程，可以采用具有五軸功能的 CAM 工具 軟件 UG、 PRO／ E 和 POWERMILL 等作為基本平臺(tái)，在編程過程中選擇合理 的切削策略、刀軸控制方式和切削參數(shù)【 2l】。 因此數(shù)控加工程序的優(yōu)化研究將具有重要的意義。 2020． 18 岳貴友，漆向軍，朱新濤等 Pr0／ Ewildfire 2． 0 中文版數(shù)控加工教程．北 京：中國水利水電出版社 2020 l 19 燕紅波，楊慶東，劉芳．基于 UG 的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技 術(shù)．哈爾濱：機(jī)械工程師． 2020。閉式整體葉輪是當(dāng)前 數(shù)控加工方法研究的 一個(gè)熱點(diǎn)，建議下一步研究工作的目標(biāo)定為于閉式整體葉 輪數(shù)控加工方法的研究． 致謝 本課題的研究是在許多老師，同學(xué)和朋友的關(guān)心和支持下完成的，在此我 衷心感謝所有在我研究生學(xué)習(xí)和研究中指導(dǎo)和幫助我的人?？偨Y(jié)了實(shí)用的復(fù)雜曲面編程的方法，并針對某一五軸機(jī)床開 發(fā)了后處理程序，實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜曲面的刀具路徑的生成，優(yōu)化。 五軸程序編制的步驟： 1 根據(jù)模型定義切削策略：可變軸輪廓銑是多軸加工常用方式，首先從 驅(qū)動(dòng)幾何體上生成驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，將驅(qū)動(dòng)點(diǎn)沿著 設(shè)定的矢量映射到零件模型上，生成 刀位軌跡。 6：利用工程軟件的圖形數(shù)據(jù)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，可以避免三角函數(shù)的計(jì)算繁瑣， 提高了工程實(shí)際中數(shù)據(jù)處理的效率。由 B 軸的兩個(gè)位置可以計(jì)算出一組數(shù)據(jù)。 3 各尺寸已經(jīng)完全定義，標(biāo)注刀具旋轉(zhuǎn)中心到轉(zhuǎn)軸 Y 即 C 軸旋轉(zhuǎn)中心的 距離如圖，圖中紅色顯示是因?yàn)闃?gòu)成了封閉尺寸鏈，這在畫圖中是不允許的。 7 此時(shí)，標(biāo)定該位置是 C 軸零點(diǎn) 4． 3． 3 C 軸軸線和 B 軸軸線的位置關(guān)系的標(biāo)定 通過上述 C 軸 B 軸零點(diǎn)的定義，可以得到兩軸軸線是垂直的關(guān)系，但兩 軸線是否相交，則極大地影響了后置處理的準(zhǔn)確性和加工精度。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模弘p擺頭五軸數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)誤差的標(biāo)定 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)；江蘇南京四開電子有限公司 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 2020― 9 一 lO 至 2020― 9― 25 實(shí)驗(yàn)對象：本項(xiàng)目研發(fā)制造的雙擺頭數(shù)控機(jī)床 實(shí)驗(yàn)器材：千分表 m10 哪球頭立銑刀，中 10 姍平頭立銑刀， PC，軟件 PRO/E 代木板，臺(tái)鉗 實(shí)驗(yàn)構(gòu)想：利用數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)值可顯示性，對機(jī)床雙擺頭的相對位置關(guān) 系加以檢驗(yàn)，對其的軸線之間的誤差加以標(biāo)定，利用 PR0／ E 的圖形參數(shù)驅(qū)動(dòng) 化，來簡化其中的計(jì)算。這樣就帶來了兩個(gè)問題：一是在開發(fā)后處理程序前，必須知道 轉(zhuǎn)軸距離；另一個(gè)就是在無法補(bǔ)償?shù)毒吣p，在更換新的刀具或同一刀具兩次 裝夾時(shí)由于無法保證轉(zhuǎn)軸距離的一致，而是加工程序失效．這就對無多軸后置 處理程序開發(fā)能力的用戶帶來了難題．同樣即使用戶具有后處理開發(fā)能力，對 同一零件的每次轉(zhuǎn)軸距離的變化都得重新開發(fā)后處理程序和加工程序，也是不 可接受的。研究 高速切削加工時(shí)，高速切削工藝技術(shù)是一個(gè)主要研究方面，人們對高速切削的 認(rèn)識不夠，缺乏高速切削工藝數(shù)據(jù)，要真正實(shí)現(xiàn)高效率、高精度和高可靠性的 高速數(shù)控 切削加工很長時(shí)間的努力。 4 刀具軸線控制方式 刀具軸線的控制是多軸數(shù)控加工重要的一 個(gè)方面，刀具軸線連續(xù)緩慢的變 化是保證加工質(zhì)量的前提。 具體表現(xiàn)： l 豐富的刀具軌跡驅(qū)動(dòng)方法； 2 多種刀具軸線控制方式； 3 螺旋和曲線進(jìn) 退刀方式； 4 刀具軌跡的編程策略影響 高速加工的功能依賴于合適的加工策略和加工參數(shù)的選擇。 2 機(jī)床的選擇 高速機(jī)床實(shí)現(xiàn)高速切削的前提和基本條件，在高速切削加工中對高速機(jī)床 的性能有嚴(yán)格的要求 .。 因此對模型精度的高要求和模型的適當(dāng)處理是必要的。在被加工對象一定的情況下， 選擇合適的加工刀具和刀具軌跡加工路線將有助于減少編程階段引進(jìn)的誤差。 由上述可知，切削點(diǎn)軌跡曲線可能為凸曲線也可能是凹曲線，所以其值應(yīng) 取絕對值。因此刀具軸線矢量在工件機(jī)床坐標(biāo)系 中是不斷變化的，即。 3 數(shù)控加工切削刀具的種類 數(shù)控加工切削刀具的種類繁多，其中應(yīng)用在數(shù)控銑削加工的刀具主要有平 底立銑刀，面銑刀，球頭刀，牛鼻刀和錐形刀。 3． 2． 4 數(shù)控加工刀具的選擇 1 數(shù)控刀具特點(diǎn) 數(shù)控加工刀具應(yīng)該適應(yīng)數(shù)控機(jī)床高速，高效和自動(dòng) 化程高的特點(diǎn)，一般采