复杂曲面五轴数控加工中干涉问题的研究

【摘要】：近年来,随着汽车、航天、造船和模具等工业的发展,对于零件性能的要求越来越高,因而零件表面形状变得越来越复杂,加工质量要求也不断地提高。五轴数控加工以其灵活、高精度、高效率等特点在复杂曲面加工中得到了越来越广泛的使用。然而,在五轴数控加工中,两个旋转自由度的增加使得刀具方向不断变化,刀具和曲面的过切干涉和碰撞干涉时有发生,且刀具干涉问题也比传统三轴加工方法复杂得多。因此要充分发挥五轴数控加工的优势,必须解决刀具干涉这一瓶颈问题。 从高精度、高效率的目标出发,通过系统地分析复杂NURBS曲面的五轴数控加工过程中可能发生的各种刀具干涉形式及特征,本文提出了基于曲面离散的“无局部干涉刀轴定位→全局干涉检测→无干涉刀轴定位”干涉避免策略。该策略为刀具路径的高精度、高效率规划提供了保证。 基于以上策略,本文针对NURBS曲面提出了基于参数的曲面离散算法,建立了离散平面片与曲面参数域的对应关系,从而为刀具的干涉检测提供了有利条件,提高了曲面干涉检测的计算效率。利用相邻刀触点的相关性质,并基于与曲面参数域一一对应的离散平面片集,建立了确定刀底干涉检查范围的高效算法,在刀底干涉范围确定的基础上,通过干涉特征点筛选算法,确定了充分接近加工曲面的无刀底干涉的刀轴定位。在确定无刀底干涉刀轴定位的基础上,进行了刀具曲率干涉的检测,提出了曲率干涉情况下的刀轴调整策略,在保证无刀底干涉与曲率干涉的前提下,获得了较为理想的刀轴定位。 在无局部干涉的刀轴定位的前提下,并根据基于可视锥原理建立的曲面域和无全局干涉条件下刀轴许可变化范围的对应关系,进行了刀具全局干涉的快速检测,从而大大减少了刀具路径规划过程中进行刀具全局干涉检测的计算量。对存在全局干涉的情况,提出了相应的刀轴调整策略。这就既保证了刀具不与曲面发生干涉,又尽可能使刀具具有良好的切削形态。