數控車削加工刀具軌跡自動生成的演算法研究

根據數控車削加工的特點，零件的加工工藝分為：孔加工(包括打中心孔)，外(內)表面加工、退刀槽及螺紋加工，根據表面質量的要求，又分為粗加工、半精加工和精加工等工藝。數控車削加工刀具軌跡的規劃，重點是外(內)表面粗加工時刀具軌跡的規劃處理。對退刀槽、螺紋這樣的零件特徵在進行表面粗加工時將其用表面代替，如圖1。數控加工中為減少多次安裝帶來的安裝誤差，一般採用一次裝夾，對那些需要調頭加工的部位則採取右偏刀反向走刀切削。此外，對端面的加工有時選取向下的切削方向。因此加工時的切削方向分為向左、向右和向下的切削方向。

圖1

對於倒角和倒圓角等工藝的處理在演算法上將其作為表面處理。對反向走刀切削時的刀具軌跡規劃的演算法與正向切削時類似，對內表面加工時刀具軌跡規劃的演算法與外表面切削時也相類似。另外對精加工時的刀具軌跡規劃，以及退刀槽和螺紋加工的刀具軌跡規劃處理也較為容易。一般，為減少刀具軌跡生成演算法的複雜性，在刀具軌跡生成前對零件進行刀具干涉處理(刀具干涉處理的演算法另文討論)。本文僅討論正向切削外表面時粗加工刀具軌跡生成的演算法。

2 刀具軌跡生成的演算法

圖2

由於粗加工刀具軌跡規劃是從毛坯開始的，因此生成刀具軌跡時必須考慮毛坯的形狀，並且隨著工步的不同，其毛坯的形狀也是不同的，此即工藝毛坯。由於在軌跡生成前已經進行過刀具干涉的處理，所在刀具軌跡生成時主要考慮的是零件圖形的特徵。經過零件圖的預處理后，零件圖形是由直線和圓弧所構成的連續表面，其中的關鍵是對圖形中凹槽的識別和處理。

如圖2所示，零件圖形經過處理后，其粗加工的外表面輪廓為ABCDEPFGHIQJKM，經刀具切削方向為左時干涉處理后，其輪廊為ABCDPEFGHQJKM，其陰影部分為欠切削部分，在下一工步加工時，反向走刀切削時的刀具的起點分別為P點和Q點，通過反向向右走切切除其殘留部分，從而形成所要求的零件輪廓QIH和PED。

經過零件圖的預處理和刀具干涉處理后，對外表面輪廓粗加工切削的刀具軌跡生成演算法如下：

(1)將零件圖形轉化為一單調不減的輪廓。如圖2，從切削加工工藝給定的加工起始點開始，逐線段檢查其起點和終點z坐標的大小。當線段的終點x坐標小於其起點的x坐標時，此時輪廓由上升的曲線轉為下降的曲線，將其後遞減的輪廓曲線用過峰值點的水平線DD'代替圖中凹槽DEPFD，依此類推，分別識別出零件所有的凹槽，將整個零件轉化為一單調不減的輪廓曲線，如圖中ABCDD'，GHH'-KM的輪廓曲線，根據切削加工工藝所確定的起點和終點的刀具切入和切出時的方向，將所要切削的部分構成一封閉圖形。如圖2由輪廓ABCDD'GHH'GHH'KM，毛坯輪廓 A'B'C'(工藝毛坯輪廓)及AA'和MC'構成，對這一封閉圖形，按照切削方向、切削深度等參數確定此時刀具的軌跡。當切削的方向為水平向左時，其步驟為：①確定刀具切削加工的封閉圖形區域。②處理邊界線。在封閉圖形中如有和刀具走刀方向相同的線段則將其剔除，將零件輪廓線作為左邊界，其餘部分為右邊界，用過左邊界節點的水平線與右邊界相截，求其對應的點；同樣，對左邊界進行同樣的處理，此時左右邊界為具有相同段數，且每段起止x坐標相同的輪廓線。③確定刀具的切入點和切出點。用等距(其距離即為切削深度)的水平直線分別與左右邊界求交點，右交點即為刀具切削被加工零件時的切入點，圖2中的XP，其左交點與上一左交點間的曲線即為零件的輪廓曲線。圖2中的XL-XLL，刀具的軌跡即為零件的輪廓曲線，切出點為上一左交點，如圖2中的XLL點。④確定刀具返回時的軌跡。此軌跡為刀具的空行程軌跡，如圖中XLL-S-T。⑤重複上述過程直至到達輪廓的起點。

(2)凹槽輪廓處理，如圖2，從給定的零件起點開始搜索，當線段的終點x坐標，大於其起點的x坐標時，即為一谷點，繼續向後搜索直到峰值點，此由峰峰點間的線段所構成的輪廓即為凹槽，此時所要切削的部分是由工藝毛坯輪廓和經處理后零件輪廓構成的一封閉圖形，刀具的切入和切出點即為二條曲線的交點，如圖中2的D點和D'點，對這一封閉圖形的加工，其演算法同(1)所述。

(3)欠切削部分的切除，為避免刀具干涉，在某一方向切削時隨零件的輪廓形狀不同，有可能產生欠切削的殘留部分，如圖中的陰影部分。為此在零件的加工工藝中，通過反向走刀切削切除其殘留部分。此時的切削部分是由工藝毛坯和留有精加工余量的零件輪廓所構成的一封閉圖形，刀具的切入和切出點即為二條曲線的交點(圖2)，對這一封閉圖形的加工刀具軌跡的生成演算法同(1)所述相同。

(4)對於切削方向為向右和向下時，其刀具軌跡的生成演算法和向左切削時相類似。

零件外表面粗加工刀具軌跡生成的流程圖見圖3。