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　　摘 要：隨著現(xiàn)代制造行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)復(fù)雜曲面的應(yīng)用也提出更高的要求。然而大多產(chǎn)品制造如手機(jī)外殼、渦輪機(jī)槳葉、汽車車身以及飛機(jī)輪廓等在運(yùn)用復(fù)雜曲面時(shí)，仍面臨加工精度、加工效率等問(wèn)題。通過(guò)實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，將相應(yīng)的刀具路徑技術(shù)引入其中，有利于誤差的控制與加工效率的提高等要求。本文將對(duì)刀具路徑技術(shù)相關(guān)概述以及刀具路徑技術(shù)的具體運(yùn)用進(jìn)行探析。

　　機(jī)械與工藝

　　作為復(fù)雜曲面加工中的主要內(nèi)容，刀具路徑規(guī)劃對(duì)整個(gè)加工效率都會(huì)產(chǎn)生較大的影響。從以往刀具路徑規(guī)劃現(xiàn)狀看，由于路徑不合理問(wèn)題的存在，直接導(dǎo)致加工中存在較多誤差，使曲面表面質(zhì)量難以保證，且加工效率受到明顯影響。在此背景下，便要求將相關(guān)的刀具路徑技術(shù)引入其中，全面提升自由曲面的性能。因此，本文對(duì)刀具路徑技術(shù)在自由曲面加工中的應(yīng)用研究，具有十分重要的意義。

　　一、刀具路徑規(guī)劃相關(guān)概述

　　刀具路徑規(guī)劃，是當(dāng)前數(shù)控加工自由曲面中的主要問(wèn)題。以往數(shù)控加工工作中，路徑規(guī)劃多通過(guò)數(shù)控編程實(shí)現(xiàn)，很難滿足現(xiàn)代自動(dòng)編程要求。而現(xiàn)代數(shù)控加工中充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)于較多復(fù)雜曲面零件加工可取得明顯效果。從其中刀具路徑技術(shù)看，首先表現(xiàn)在以ATP 為基礎(chǔ)的路徑規(guī)劃方面，其直接定義導(dǎo)動(dòng)畫曲面，保證通過(guò)移動(dòng)路線將整個(gè)曲面準(zhǔn)確反映出來(lái)。該方法實(shí)際應(yīng)用中，強(qiáng)調(diào)對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，盡可能使刀具與零件面或與導(dǎo)動(dòng)面進(jìn)行接觸，這樣刀具能夠在正確軌跡上完成運(yùn)動(dòng)過(guò)程。需注意的是這種方法運(yùn)用下也有一定弊病存在，如在誤差控制中，要求反復(fù)對(duì)每一刀步進(jìn)行運(yùn)算，其中的迭代計(jì)算不僅耗費(fèi)較多時(shí)間，且迭代收斂在曲面不規(guī)則情況下將難以實(shí)現(xiàn)。其次，規(guī)劃以笛卡爾坐標(biāo)空間為依據(jù)。該方法運(yùn)用下，主要將刀具路徑在坐標(biāo)中XY 平面表示出來(lái)，一般路徑呈現(xiàn)的方式以平行直線為主，在此基礎(chǔ)上對(duì)直線進(jìn)行投影，曲面中投影便為刀具路徑。

　　該技術(shù)應(yīng)用下，可能出現(xiàn)刀具、零件表面有交叉點(diǎn)存在，增大計(jì)算量。最后，參數(shù)空間規(guī)劃。對(duì)于該種方式，可細(xì)化為參數(shù)篩選、等參數(shù)步長(zhǎng)等。前者強(qiáng)調(diào)進(jìn)行等參數(shù)步長(zhǎng)的預(yù)設(shè)，將零件對(duì)應(yīng)點(diǎn)列推測(cè)出來(lái)，在此基礎(chǔ)上以加工精度、曲面曲率為依據(jù)將點(diǎn)位信息從點(diǎn)列中進(jìn)行去除。整個(gè)過(guò)程的開(kāi)展不涉及較大數(shù)據(jù)量，但也會(huì)耗費(fèi)較多時(shí)間。而后一種方法應(yīng)用下，會(huì)取較小的步長(zhǎng)，以便于加工精度的提高，但由于其中步長(zhǎng)的估計(jì)未考慮到曲面曲率，即使計(jì)算較為簡(jiǎn)便，但最終獲取過(guò)多的點(diǎn)位信息，仍成為路徑規(guī)劃的主要難題。綜合來(lái)看，現(xiàn)行刀具路徑規(guī)劃中可應(yīng)用的技術(shù)較多，但都有一定的不足之處，要求采取相應(yīng)的優(yōu)化策略[1]。

　　二、刀具路徑技術(shù)的具體應(yīng)用研究

　　數(shù)控加工過(guò)程中，對(duì)于刀具路徑多細(xì)化為不同的直線段，可將這種方式叫做直線插補(bǔ)。盡管其應(yīng)用中，表現(xiàn)出計(jì)算便捷、表達(dá)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但其中存在的缺點(diǎn)也不容忽視，如曲面加工精度較高情況下，由于加工工序中的微小直線過(guò)多，容易增大加工信息量，且這些直線段很難將復(fù)雜曲面模型有效反映出來(lái)。在此背景下，要求機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用中，應(yīng)在NURBS 插補(bǔ)功能上進(jìn)行完善，保證切削運(yùn)動(dòng)開(kāi)展中，以NURBS 曲線運(yùn)動(dòng)為依據(jù)，這樣刀具軌跡將更為光順。

　?。ㄒ唬㎞URBS 刀具路徑

　　對(duì)于傳統(tǒng)刀具路徑規(guī)劃中的弊病，主要考慮將NURBS 曲線插補(bǔ)引入到數(shù)控系統(tǒng)中。該種曲線運(yùn)用下，強(qiáng)調(diào)在確定曲線階次后，通過(guò)節(jié)點(diǎn)矢量、權(quán)重因子以及控制頂點(diǎn)等矢量完成曲線的確定。此時(shí)CNC 系統(tǒng)在利用NURBS 帶來(lái)的插補(bǔ)功能后，可使整個(gè)刀具軌跡運(yùn)動(dòng)得以控制，防止因曲線加工問(wèn)題而產(chǎn)生加工缺陷。由此可見(jiàn)，通過(guò)NURBS 刀具路徑的應(yīng)用，可使刀具軌跡更為光滑連續(xù)。需注意的是，數(shù)控加工過(guò)程中對(duì)于該方法的運(yùn)用，無(wú)需將更多微小直線段指令引入其中，僅需做好刀具路徑數(shù)值定義即可。其中的插補(bǔ)空能可直接完成曲線運(yùn)算過(guò)程，使加工形狀更為光滑[2]。

　?。ǘ┣€擬合工作的開(kāi)展

　　在NURBS 刀具路徑應(yīng)用中，對(duì)于曲面零件輪廓很難表示出來(lái)，此時(shí)應(yīng)注意以零件加工工藝、幾何模型為依據(jù)，保證刀具路徑的生成能夠通過(guò)刀位點(diǎn)表示出來(lái)。而該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于做好曲線擬合工作，對(duì)已知刀位點(diǎn)進(jìn)行擬合，完成刀具路徑的確定，在此基礎(chǔ)上將曲線向數(shù)控系統(tǒng)傳輸，完成數(shù)控加工過(guò)程。為使加工過(guò)程中，被加工曲面、刀具路徑以二階幾何連續(xù)性的形式呈現(xiàn)，可考慮將三次曲線引入其中。此時(shí)，可直接在已知刀位點(diǎn)運(yùn)用下，對(duì)節(jié)點(diǎn)矢量、權(quán)重因子以及控制頂點(diǎn)進(jìn)行求解，完成擬合過(guò)程。需注意的是在NURBS 刀具路徑運(yùn)用下，需采取擬合處理措施，且避免擬合過(guò)程中有較大誤差存在，其將直接影響最終的路徑生成結(jié)果。另外，在NURBS 曲線擬合下，還需做好算法優(yōu)化工作，如其中的控制頂點(diǎn)優(yōu)化部分，應(yīng)保證擬合曲線、刀位點(diǎn)間不存在較大偏差。且通過(guò)初始控制頂點(diǎn)的設(shè)定，將迭代計(jì)算此時(shí)減少，這樣在計(jì)算節(jié)點(diǎn)矢量后便可達(dá)到控制頂點(diǎn)優(yōu)化的目標(biāo)[3]。

　　三、結(jié)語(yǔ)

　　刀具路徑技術(shù)的應(yīng)用是現(xiàn)行自由曲面數(shù)控加工中的必然要求。實(shí)際進(jìn)行路徑規(guī)劃中，應(yīng)正確認(rèn)識(shí)刀具路徑技術(shù)的基本內(nèi)涵以及優(yōu)勢(shì)與不足，在此基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的優(yōu)化措施，主要可通過(guò)NURBS 刀具路徑曲線擬合、算法的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)，對(duì)提升自由曲面綜合性能將發(fā)揮重要作用。