复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法研究
Research on Vector Optimization Method of NC Axes for Complicated Surfaces and Five Axes
摘要：科学技术的快速发展，为复杂曲面五轴加工方式的不断优化提供了必要的技术支持，使得其加工技术水平逐渐提升。实践过程中加工人员在曲面形状突变及干涉情况时，若采用五轴加工轨迹生成方法，由于其中刀轴矢量剧烈变化的问题，使得刀具性能受到了潜在威胁，且产品加工质量难以保障。针对这种情况，应加强与之相关的五轴加工刀轴矢量优化方法使用。基于此，本文将对复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法进行系统阐述。
关键词：复杂曲面；刀轴；矢量优化方法；五轴数控加工
Abstract: The rapid development of science and technology has provided the necessary technical support for the continuous optimization of five-axis machining of complex curved surfaces, which has led to the gradual improvement of its processing technology. In the process of practice, when the surface shape is abruptly changed and the interference happens, if the machining method of five-axis machining path is used, the tool's performance is under the potential threat because of the sharp change of the vector of cutter shaft, and the processing quality of the product is hard to guarantee. In view of this situation, we should strengthen the related five-axis tool axis vector optimization method. Based on this, this paper will systematically elaborate the vector optimization method of tool axis of five-axis NC machining of complex surface.
Key words: complex surface; arbor; vector optimization method; five-axis CNC machining
重视复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法研究，有利于提高产品加工表面精度，优化加工方式的同时确保加工质量可靠性，促使复杂曲面铣削水平得以不断提升。因此，在开展复杂曲面五轴数控加工作业时，为了减少刀具磨损，全面提高工件加工质量，需要注重与之相关的刀轴矢量优化方法使用，并落实好相应的研究工作。
一、有关复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化生成方法分析
为了提升复杂曲面五轴数控加工水平，给予工件加工质量可靠性科学保障，需要注重其刀轴矢量方法使用，并找出有关光顺刀轴矢量的优化算法，了解其优化原理及实现方法。具体表现在以下方面：
（一）实践中的算法优化原理
在复杂曲面五轴数控加工过程中，为了对加工曲面进行描述，可用一个或一组曲面表达出加工过程中刀具某一点的轨迹，即加工曲面描述时可通过对刀具路径的合理运用来实现。实际操作中应加强计算机网络与信息技术使用，在计算机三维空间中确定端铣刀与、加工面的接触关系，并获得相应的局部坐标系。此时，需要在复杂曲面五轴数控加工中对刀具轴向、进给方向、刀位定位点、刀轴偏转点等要素进行充分考虑，以便更好地理解光顺刀轴矢量算法的优化原理。该原理为：根据刀具方向角（倾角与导角）的变化，了解加工过程中刀具对切削椭圆的实际作用效果。通过对刀具倾角与导角的有效改变，能够避免复杂曲面五轴数控加工中的局部加工干涉或全局干涉，进而在算法优化中确定刀具倾角与导角的最佳取值，满足曲面加工要求的同时确保五轴数控加工方式下工件质量可靠性。
（二）实践中的算法实现方法
在寻找复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法的过程中，为了确保其相关的算法能够得到优化处理，则需要了解刀轴矢量优化算法的实现方法。具体表现为：（1）若加工过程中未发生全局干涉，则应根据插入加工点的实际情况，在计算机的支持下对该点进行递归计算，并控制好刀轴矢量间的夹角；（2）若刀具加工中发生了全局与局部干涉，则需要在对应的加工区域充分考虑加工过切的情况，并在处理过程中选取某一加工点的非干涉区域，将该区域命名为安全空间。实践过程中若复杂曲面五轴数控加工的所有加工点能够构成安全空间集，则在该空间集所形成的可行域中能够得到相应的刀轴矢量方法，从而为工件加工中全局与局部干涉的避免提供参考依据；（3）为了避免工件加工中出现加工过切现象，也需要在刀具进入或离开干涉区域处设置相应的约束条件，并在计算机三维空间中确定刀轴矢量与刀具运动中干涉模型曲面之间的关系，且关系所涉及的对象之间是相互对应等，促使刀轴矢量生产方法实践应用中能够得到相应的优化算法。同时，在加工点的刀轴矢量分析中，应根据加工点数量的多少，确定相应的线性关系或复杂程度高的函数关系，进而确定所求的刀轴矢量，最终在连续可行域的支持下，确保复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量整体优化有效性。
二、复杂曲面五轴数控加工刀轴可行域生成及加工过切的避免分析
（一）加工点生产中的安全空间及刀轴的可行域
所谓的安全空间，是指复杂曲面五轴数控加工中某一加工点的非干涉区域。实践过程中加强安全空间法使用，能够为工件加工中所有加工点刀轴矢量的安全空间集获得提供支持，确保刀轴矢量计算精度的良好性，从而为五轴数控加工中加工过切现象的避免提供所需的参考信息。
在加工点安全空间生成的过程中，可从这些方面入手：（1）结合实际情况，通过对复杂曲面五轴数控加工中加工点处表面法向量的合理运用，设置好加工过程中的局部干涉判定条件；（2）将刀具表面与干涉曲面分别看作STSI，对二者是否相交进行判断，确定全局干涉条件。当这些判定条件设置好后，应根据加工过程中加工点的实际情况，生成对应的安全空间。在此基础上，根据加工点域的安全空间集，采用连续叠加的方法在刀具倾角及导角域内得到各加工点的投影，从而确定所求的可行域。
（二）刀轴可行域的优化
为了避免加工过程中出现局部干涉或全局干涉，全面提高工件加工效率，延长刀具使用寿命，则需要对刀具可行域进行优化处理。具体表现为：（1）根据刀具运动路径，将各加工点的角度的二阶导数控制在最小的范围内，确保刀具旋转动作处于可行域中；（2）在计算机网络与信息技术的支持下，确定刀具倾角与导角最优值。
（三）避免加工过切时的刀轴矢量优化
结合上述所述的安全空间法，为了避免复杂曲面五轴数控加工中出现加工过切现象，则需要对刀轴矢量进行优化处理。具体表现为：（1）在计算机三维空间中，确定出加工中可行域内的加工点数目，进而在拟合函数的作用下确定这些点对应的倾角与导角，最终生成有效的刀轴矢量，实现对加工过切现象的有效应对；（2）在加工可行域的支持下，将各加工点的轨迹连接起来，进行确定相应的刀轴矢量。实践过程中若将这些措施实施到位，则能为刀轴矢量优化提供可靠保障，提高工件加工质量。
结束语：
综上所述，复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法具有重要的应用价值：确保工件加工质量可靠性，优化五轴数控加工中的刀具工作性能，从而为工件整体加工水平的不断提升提供科学保障。因此，未来复杂曲面五轴数控加工过程中相关人员应根据实际情况，给予其刀轴矢量优化方法使用足够的重视，并在实践生产中对加工刀具性能及工件质量可靠性进行科学评估，以便为该方法实际应用范围扩大打下坚实的基础。
参考文献：
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[2]赵吉宾,刘伟军.复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法研究[J].机械工程学报,2013,(07).
[3]钟波.复杂曲面五轴数控加工中刀具位姿优化研究[D].沈阳理工大学,2013,(12).
作者简介：
屈海军（1980-）男，江苏省徐州人，硕士学位，讲师；教授《数控机床电气控制技术》、《数控设备管理与维护技术基础》等课程；现担任数控维修教研室主任，主要从事数控电气控制技术和数控设备维修维护方面研究。
