对数控车刀具轨迹自动生成算法的探讨和验证

　　本文提出了数控车削加工刀具轨迹自动生成的算法并对该算法在实际应用中进行了验证。

　　1 零件图的预处理

　　根据数控车削加工的特点，零件的加工工艺分为：孔加工(包括打中心孔)，外(内)表面加工、退刀槽及螺纹加工，根据表面质量的要求，又分为粗加工、半精加工和精加工等工艺。数控车削加工刀具轨迹的规划，重点是外(内)表面粗加工时刀具轨迹的规划处理。对退刀槽、螺纹这样的零件特征在进行表面粗加工时将其用表面代替，如图1。数控加工中为减少多次安装带来的安装误差，一般采用一次装夹，对那些需要调头加工的部位则采取右偏刀反向走刀切削。此外，对端面的加工有时选取向下的切削方向。因此加工时的切削方向分为向左、向右和向下的切削方向。

图1

　　对于倒角和倒圆角等工艺的处理在算法上将其作为表面处理。对反向走刀切削时的刀具轨迹规划的算法与正向切削时类似，对内表面加工时刀具轨迹规划的算法与外表面切削时也相类似。另外对精加工时的刀具轨迹规划，以及退刀槽和螺纹加工的刀具轨迹规划处理也较为容易。一般，为减少刀具轨迹生成算法的复杂性，在刀具轨迹生成前对零件进行刀具干涉处理(刀具干涉处理的算法另文讨论)。本文仅讨论正向切削外表面时粗加工刀具轨迹生成的算法。

　　2 刀具轨迹生成的算法

图2

　　由于粗加工刀具轨迹规划是从毛坯开始的，因此生成刀具轨迹时必须考虑毛坯的形状，并且随着工步的不同，其毛坯的形状也是不同的，此即工艺毛坯。由于在轨迹生成前已经进行过刀具干涉的处理，所在刀具轨迹生成时主要考虑的是零件图形的特征。经过零件图的预处理后，零件图形是由直线和圆弧所构成的连续表面，其中的关键是对图形中凹槽的识别和处理。

　　如图2所示，零件图形经过处理后，其粗加工的外表面轮廓为ABCDEPFGHIQJKM，经刀具切削方向为左时干涉处理后，其轮廊为ABCDPEFGHQJKM，其阴影部分为欠切削部分，在下一工步加工时，反向走刀切削时的刀具的起点分别为P点和Q点，通过反向向右走切切除其残留部分，从而形成所要求的零件轮廓QIH和PED。

　　经过零件图的预处理和刀具干涉处理后，对外表面轮廓粗加工切削的刀具轨迹生成算法如下：

　　(1)将零件图形转化为一单调不减的轮廓。如图2，从切削加工工艺给定的加工起始点开始，逐线段检查其起点和终点z坐标的大小。当线段的终点x坐标小于其起点的x坐标时，此时轮廓由上升的曲线转为下降的曲线，将其后递减的轮廓曲线用过峰值点的水平线DD'代替图中凹槽DEPFD，依此类推，分别识别出零件所有的凹槽，将整个零件转化为一单调不减的轮廓曲线，如图中ABCDD'，GHH'-KM的轮廓曲线，根据切削加工工艺所确定的起点和终点的刀具切入和切出时的方向，将所要切削的部分构成一封闭图形。如图2由轮廓ABCDD'GHH'GHH'KM，毛坯轮廓 A'B'C'(工艺毛坯轮廓)及AA'和MC'构成，对这一封闭图形，按照切削方向、切削深度等参数确定此时刀具的轨迹。当切削的方向为水平向左时，其步骤为：①确定刀具切削加工的封闭图形区域。②处理边界线。在封闭图形中如有和刀具走刀方向相同的线段则将其剔除，将零件轮廓线作为左边界，其余部分为右边界，用过左边界节点的水平线与右边界相截，求其对应的点;同样，对左边界进行同样的处理，此时左右边界为具有相同段数，且每段起止x坐标相同的轮廓线。③确定刀具的切入点和切出点。用等距(其距离即为切削深度)的水平直线分别与左右边界求交点，右交点即为刀具切削被加工零件时的切入点，图2中的XP，其左交点与上一左交点间的曲线即为零件的轮廓曲线。图2中的XL-XLL，刀具的轨迹即为零件的轮廓曲线，切出点为上一左交点，如图2中的XLL点。④确定刀具返回时的轨迹。此轨迹为刀具的空行程轨迹，如图中XLL-S-T。⑤重复上述过程直至到达轮廓的起点。

　　(2)凹槽轮廓处理，如图2，从给定的零件起点开始搜索，当线段的终点x坐标，大于其起点的x坐标时，即为一谷点，继续向后搜索直到峰值点，此由峰峰点间的线段所构成的轮廓即为凹槽，此时所要切削的部分是由工艺毛坯轮廓和经处理后零件轮廓构成的一封闭图形，刀具的切入和切出点即为二条曲线的交点，如图中2的D点和D'点，对这一封闭图形的加工，其算法同(1)所述。

　　(3)欠切削部分的切除，为避免刀具干涉，在某一方向切削时随零件的轮廓形状不同，有可能产生欠切削的残留部分，如图中的阴影部分。为此在零件的加工工艺中，通过反向走刀切削切除其残留部分。此时的切削部分是由工艺毛坯和留有精加工余量的零件轮廓所构成的一封闭图形，刀具的切入和切出点即为二条曲线的交点(图2)，对这一封闭图形的加工刀具轨迹的生成算法同(1)所述相同。

　　(4)对于切削方向为向右和向下时，其刀具轨迹的生成算法和向左切削时相类似。

　　零件外表面粗加工刀具轨迹生成的流程图见图3。