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关于优化设计数控加工刀具轨迹的几个问题

时间:2011-02-28 10:31:24 来源:
   本文讨论了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,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(如图1所示)。为此,在切入点的设计中我们采用了分别对待的办法。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。

切向切入会发生干涉的情况

图1 切向切入会发生干涉的情况

  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

图2 尖角处的情况

  如图2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

表1

  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),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。