自由曲面五轴加工刀具轨迹规划技术的研究进展

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基于五轴联动机器人的自由曲面加工技术研究

基于五轴联动机器人的自由曲面加工技术研究自由曲面加工技术是现代制造业中的重要一环，可以应用于航空、汽车、船舶等各个领域。

而基于五轴联动机器人的自由曲面加工技术则是目前最先进和广泛应用的加工方法之一。

本文将针对这一任务名称进行详细阐述。

首先，了解五轴联动机器人的概念。

五轴联动机器人是指具有五个旋转轴的机器人，通常由一个固定基座和一个手臂组成。

这五个旋转轴使得机器人能够在三维空间中执行复杂的运动和加工任务。

在自由曲面加工技术中，五轴联动机器人的优势主要体现在以下几个方面：1. 多轴灵活控制：五轴联动机器人可以通过控制各个旋转轴的运动，实现机器人末端工具在三维空间内的任意位置和姿态变化。

这种灵活性使得机器人能够适应各种复杂的曲面形状，并进行精确的加工。

2. 良好的稳定性：五轴联动机器人采用多个轴的结构，相比于三轴或四轴机器人具有更好的稳定性。

在曲面加工过程中，机器人需要保持稳定的加工力和切削速度，以确保加工效果和质量。

五轴联动机器人能够更好地满足这一要求。

3. 高效的加工能力：五轴联动机器人能够同时进行多个合理的轴运动，从而在较短的时间内完成复杂曲面的加工。

这种高效性使得生产效率得到提高，并能够满足大批量生产的需求。

4. 精度控制：五轴联动机器人可以通过自动化的控制系统实现高精度的运动和加工过程。

控制系统能够精确控制每个旋转轴的运动范围和速度，以及机器人末端工具的位置和姿态。

这使得机器人能够在不损失加工质量的前提下，提高加工精度。

在基于五轴联动机器人的自由曲面加工技术研究中，需要考虑以下几个关键问题：1. 曲面建模与加工路径规划：为了实现对复杂曲面的加工，首先需要对曲面进行建模。

这可以通过CAD软件等工具来完成。

然后，根据建模结果，需要进行加工路径规划，确定机器人在加工过程中的运动轨迹。

这需要考虑加工工具的尺寸、刀具路径优化等因素。

2. 刀具选择与切削参数优化：根据加工要求和曲面特点，需要选择合适的刀具。

五轴数控加工关键技术综述

五轴数控加工关键技术综述摘要五轴机床在曲面加工中的应用已经有30多年，但是由于曲面加工的高度复杂性，关于五轴加工的基本理论还没有完整地建立起来，因此目前的CAM系统都不得不采用一些简化的、近似的方法，这使得零件的加工质量和加工效率受到了严重的制约，所以国内外关于五轴刀位优化的研究一直都是热点。

近年来，在复杂曲面的数控加工方面取得了很多研究成果，主要讨论生成几何刀轨的关键技术。

刀轨生成的关键技术主要包括刀轨规划技术、刀位优化技术、干涉检查技术、刀轨光顺技术和刀具优化技术等。

因此对这些技术进行了深入的研究和总结，介绍了刀轨驱动的相关理论，将刀轨分为刀轨拓扑、刀位驱动点和刀轨驱动线几个要素，进行逐个分析，并且介绍了几种典型刀轨驱动方法。

关键词：数控五轴复杂曲面刀轨AbstractFive-axis machine tool has been applied in surface machining over30years.However, due to the high complexity of surface machining,the basic theory of five-axis machining has not been fully established.So some simplified and approximation methods are adopted in the current CAM systems,which severely restrict the machining quality and efficiency.Thus,the techniques in five-axis machining have become hot issues for a long time.In recent years, many research results have been achieved in the numerical control machining of complex surface,The key techniques in five-axis machining is discussed in this paper.The key techniques in five-axis machining include tool path topology,tool position optimization, interference checking,tool path smoothing and tool geometry optimization and so on.Some techniques are in-depth researched in this thesis,tool path driven theory is proposed,which divides tool path into three elements including tool path topology,tool position driven point and tool path driven curve,and several typical tool path driven methods proposed by the research group are introduced.Key Words：NC,5-axis,Sculptured surfaces,Tool path目录第一章前言 (1)第二章刀轨规划技术 (1)2.1刀轨拓扑规划 (1)2.2走刀步长计算 (4)2.3加工行宽与行距计算 (5)第三章刀位优化技术 (7)第四章干涉检查技术 (12)4.1局部干涉 (13)4.2全局干涉 (13)第五章刀具选择 (14)第六章刀轨光顺 (14)总结 (15)参考文献 (15)第一章前言近年来，在复杂曲面的数控加工方面取得了很多研究成果，这里主要讨论生成几何刀轨的关键技术，不考虑前期的曲面造型及处理技术，也不考虑后期的后置处理技术。

NURBS曲面五轴加工刀具路径规划技术研究

ａｃｃｏｕｎｔｔｈｅｅｉｃｆｉｅｎｃｙｗｈｉｌｅｍａｘｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄ
ａｎｄｗｏｒｋｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＮＵＲＢＳＴｏｏｌＰａｔｈＰｌａｎｎｉｎｇ５－ＡｘｉｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＩｓｏｐｈｏｔｅ
沈阳１１０８１９
沈阳１１０１５９
摘
要：提出了基于等照度线的刀具路径规划方法，采用等照度线对曲面进行分区，根据曲面特征采用不同的刀具路
径规划方法，兼顾效率的同时尽可能提高加工精度。通过加工实验与传统刀具路径规划方法进行对比，表明本方法在加工
效率和加工精度方面都优于传统方法。
关键词：ＮＵＲＢＳ刀具路径规划五轴加工
等照度线
中图分类号：ＴＨ１６２；ＴＰ２７３
文献标识ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ：Ａ
文章编号：１０００ — ４９９８（２０１４）０２ — ０００５ — ０５

基于曲面分片的五轴刀具轨迹规划

ＤＯＮＧＪｉａｑｉ．ＺＨＡＮＧＰｉｎｇ
（ＦａｃｕｌｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
ｎｉｎｇｅｉｃｆｉｅｎｃｙｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｅｆｅｃｔｉｖｅｌｙｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｌｇｏｉｒｔｈｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｉｖｅ — ａｘｉｓｍａｃｈｉｎｉｎｇ；Ｐｉｒｎｃｉｐｌａｃｕｖａｒｔｕｒｅｓ；Ｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎ；Ｔｏｏｌｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇ
精度。由于五轴数控机床比统三轴机床多了两个旋
转自由度，刀轴姿态更加灵活，增加了刀具路径规划的难度，在五轴数控加工中如何生成无干涉、无过切、高效的刀具路径已经成为必须解决的至关重要的
刀具轨迹的规划是数控加工技术的关键，能否生成有效的刀位轨迹将直接决定加工的可能性、效率和
域内进行刀具轨迹规划和姿态优化，以提高复杂参数曲面数控加工的效率和精度。１．１曲面特性数控加工是在复杂曲面造型的基础上进行的。由
于ＮＵＲＢＳ方法具有众多的优点，国际标准化组织将
ｐａｔｃｈｅｓｏｆｒｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌ（ＮＣ）ｍａｃｈｉｎｉｎｇ．Ｅｘｐｅｉｒｍｅｎｔｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｆｏｒｐａｔｈｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｃｈｉ－

机械毕业设计1098螺旋桨的五轴NC加工刀位轨迹规划论文

目录1 前言.......................................................................................· (1)1.1选题的依据及意义.........................................................··.........·1 1.2国内外研究概况及发展趋势.......................................··· (1)1.3研究内容及实验方案................................................··· (3)1.4论文主要工作..................................................................··· (3)2 自由曲面零件五坐标数控加工基础…………………………………···42.1基本概念...........................................................................···· (4)2.2自由曲面五坐标数控加工的刀轴控制方式………………………………····52.3五坐标联动数控加工的成型方式.............................................··· (6)3 螺旋桨数控加工工艺分析...................................................·······7 3.1.选择材料和确定毛坯...............................................................· (7)3.2选择定位基准 (7)3.3 拟定加工路线 (7)3.4 确定工序具体内容............................................................·...··· (8)3.5确定加工坐标系...............................................................·......···9 3.6刀具类型及参数 (10)3.7 切削参数...........................................................................·· (14)4 螺旋桨加工刀具轨迹规划和刀路模拟..............................·········16 4.1螺旋桨粗加工刀位计算方法与刀具路径规划 (16)4.2螺旋桨精加工研究及刀路轨迹规划 (20)4.2.1螺旋桨桨叶精加工刀位规划......................................................·21 4.2.2轮毂加工的刀位规划.........................................................· (24)4.3 螺旋桨加工刀路的模拟.........................................................··· (25)4.4螺旋桨叶片加工的数控程序 (29)5总结与展望……………………………………………………………………··33参考文献……………………………………………………………………····…···341前言1.1选题的依据及意义螺旋桨是一类典型的自由曲面零件，螺旋桨是推进器中效率比较高，应用最广的一种，其主要功用是使机器前进和后退，有时也协助机器回转。

基于CimatronE自由曲面五轴加工技术的研究

理，后处理完成之后系统将产生一个程序文件，使用记事本打
开即可以看到ＮＣ程序。
针对该叶轮单个叶片形面加工的解决方案，开粗加工采用５轴航空铣，刀具选择１号锥形环形刀，曲面路径设置为两曲线
５总结
由于五轴加工能够对自由曲面进行高精度加工，通过
数学方法。
整体叶轮作为发动机的关键部件，对发动机的性能影响很大，其加工成为提高发动机性能的一个关键环节。叶轮（从如图
１的结构来看，）其叶片型面部分为复杂曲面，各部分的曲率、扭
转变化较大。作为动力装置的重要部件，零件本身的精度和质量有很高的要求。在加工叶轮的过程中不仅要保证叶片表面的
刀具名称刀具直径刀具Ｒ角加工采■
３Ｄｔ１ＩＲｌＤ，Ｓｎ１０３＇饥ＳＯ１．Ｏ
主轴转遵
ｆ ∞ ａ ∞ ０ｏ５ ∞ Ｏ
浩给■
２ ∞ １０００＇ｏｏＯ
类型为靠近点。选择刀具切削刃参与干涉检查，同时选择导动
季业益，书娟孙
（．州工业职业技术学院，１苏江苏苏州２０４．建设交通高等职业技术学校，苏苏州１０；２苏州５江
２０４）ｌ０５
【摘要】自面由曲加工是产品加工中杂的一类，最复通常需要多联动加工。轴本文介绍了自由曲面数控加工技术及基于
２００９年１月
广西轻工业
ＧｕＡＮＧｘＩＪ瓜ＮＡＬＬＩＨＴＮＤｕｓ０ＩｏＦＧＩＴＲＹ
第１（期总第１２期）２

五轴数控加工中的刀具轨迹优化方法研究

五轴数控加工中的刀具轨迹优化方法研究五轴数控加工是一种高精度、高效率的加工方法，广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。

在五轴数控加工过程中，刀具的轨迹优化是提高加工质量和效率的关键。

本文将就五轴数控加工中的刀具轨迹优化方法进行研究，并探讨其在实际应用中的效果和影响因素。

刀具轨迹优化是为了减少加工过程中的切削力、切削温度和切削振动，同时提高加工质量和加工效率，降低加工成本。

在五轴数控加工中，刀具需要按照预定的路径精确地移动，实现对工件的精确加工。

刀具轨迹优化方法的研究就是为了找到一种最佳的刀具移动路径，以减少切削力和切削温度，提高加工精度和表面质量。

目前，有许多刀具轨迹优化方法被广泛研究和应用。

其中，基于几何建模的刀具轨迹优化方法是一种常用的方法。

该方法通过对工件几何特征进行建模，确定刀具移动路径，以达到提高加工效果的目的。

然而，该方法存在一些问题，如计算复杂度高、对工件形状要求较高等。

因此，有学者提出了基于优化算法的刀具轨迹优化方法，如遗传算法、粒子群算法等。

这些方法通过优化算法来寻找最优路径，以实现在不同目标下的刀具轨迹优化。

此外，还有一些刀具轨迹优化方法是针对特定工件形状和切削条件而设计的。

例如，根据工件的曲面形状和切削条件，可以采用仿真模拟方法对刀具轨迹进行优化。

这种方法可以通过仿真预测出切削力和切削振动的情况，进而确定最佳的刀具轨迹。

另外，还可以利用神经网络等人工智能方法对刀具轨迹进行优化。

刀具轨迹优化方法的选择与具体加工任务和加工要求密切相关。

在实际应用中，需要考虑工件形状、材料、切削条件、加工精度要求等多个因素。

例如，在加工曲面工件时，由于曲面的复杂性和非直线性，需要采用基于数学模型的方法对刀具轨迹进行优化。

而在加工直线形状的工件时，可以采用基于优化算法的方法进行刀具轨迹优化。

此外，还可以结合多种方法，综合考虑不同因素来进行刀具轨迹优化的研究。

刀具轨迹优化方法的研究在提高五轴数控加工效率和质量方面具有重要意义。

模具设计与制造自由曲面平头立铣刀五轴数控加工轨

收稿日期：!"""#!!#$$李小平：男，%&岁，硕士，讲师自由曲面平头立铣刀五轴数控加工轨迹的计算方法&%’’(&武汉市华中理工大学李小平喻道远汤漾平段正澄摘要提出了一种在参数坐标系下自适应步长和行距的计算方法，该算法考虑了不同刀具接触点处的曲率差异，在满足加工精度和粗糙度的前提下，又能有效地提高加工效率。

该算法适合加工汽车车身模具等曲率变化大的曲面。

文中还给出了刀位计算公式。

关键词平头立铣刀自由曲面五轴数控加工刀具轨迹!"#$%&’()*+,&’-#$-.$#)("%/0#1(2-.))3’4#)*&"2-.$4).’352.’,#-326()*,$#)03"5+($$("%-.))3’7(8(#&4("%，9.:#&;.#"，<#"%9#"%4("%，:.#"=*3"%-*3"%!>2)’#-)：)*+,-.-/0-0/,/12,.1/3.4560+2*768.9.-2+:/,2/-4/152*,.19-.2*+12/0:.461-.0.;7/20+<<6609+1.2/,=,2/7>?,2*/.4560+2*7<61,+9/0,2*/0.9+@,682*/<@0:.2@0/9+88/0/1</A /23//19+8;8/0/12<@22/0<612.<2-6+12,，,6+2<.1+7-06:/7.<*+1+15/88+<+/1<=.192*/.<<@0.<=682*/8+1+,*/9,@0;8.</>)*+,.4560+2*7+,,@+2.A 4/8607.<*+1+15,<@4-2@0/9,@08.</>?7/2*6968<.4<@4.2+15<@22/046<.;2+61-6+12+,.4,6-0/,/12/9+12*+,-.-/0>?3;@&’52：84.2#/197+44+15<@22/0，,<@4-2@0/9,@08.</，B #.C +,D E7.<*+1+15，<@22/0-.2*A 前言自由曲面在模具中应用非常广泛，如汽车车身模具、塑料模、叶片锻模、铸模等，大都包含自由曲面（以下简称曲面）。

自由曲面加工技术的研究与应用

自由曲面加工技术的研究与应用随着科技的进步和工业的发展，自由曲面加工技术已经成为了现代制造业中不可或缺的一部分。

自由曲面加工技术是一种可以对任意形状的曲面进行加工的技术，它能够满足各种复杂几何形状的加工需求，提高了工业的生产效率和质量。

自由曲面加工技术主要应用于金属加工、陶瓷加工、塑料加工等领域。

现在，随着人们对工业制造质量要求的提高和对自由曲面加工技术不断研究，它的应用范围正在不断扩大，比如在航空航天、汽车制造、船舶制造以及医疗等领域都有着重要的应用。

在这些领域中，自由曲面加工技术的应用可以有效地解决复杂曲面结构的加工难题，提高产品加工精度和工作效率。

在自由曲面加工技术中，数控加工机床是一种很重要的工具。

数控加工机床是一种通过计算机控制的自动化机床，可以对复杂曲面进行加工，实现高效、高质量的制造。

数控加工机床在自由曲面加工技术中的应用已经得到了广泛的认可，其无论在加工质量还是加工效率方面都有很高的评价。

除了数控加工机床，还有一种重要的自由曲面加工技术——激光曲面加工技术。

激光曲面加工技术是利用激光束在工件表面进行加工的一种技术，可以对不同材料的曲面进行高精度、高效率的加工。

激光曲面加工技术已经成为自由曲面加工技术中重要的组成部分，在汽车制造、模具制造、机械制造以及航空航天等领域有着广泛的应用。

自由曲面加工技术在现代制造业中的应用前景是非常广阔的。

未来随着工业制造的不断发展和自由曲面加工技术的不断完善，自由曲面加工技术会在更多的领域得到应用。

作为一种重要的制造技术，自由曲面加工技术将会不断为制造业的发展贡献力量。

在加工技术不断进步的今天，我们需要不断加强对自由曲面加工技术的研究和开发，探索新的加工方法和技术手段，在实践中不断完善自由曲面加工技术，提高其加工质量和效率。

只有这样，才能不断满足人们对工业制造质量的要求，为制造业的发展注入新的活力。

刍由曲面五轴数控加工刀具定位研究

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ＴｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｌｌｅｗｍｅｔｈｄｆｏｏｒｔｈｅｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｏｏｌｐｏｓｉｔｉｏｎｎｄａｏｉｒｅｎｔａｔｉｏｎｆｏｒＮＣｍｉＵｉｎｇｏｆｓｃｕｌｐｔｕｒｅｄｓｕｒｆａｃｅｓｗｉｔｈａｉｆｖｅ－ａｘｉｓ
平头立铣刀可以调整刀具轴线方向以避免过切。这些方法的主要缺点是经常生成曲折的路径。另外，表面近似表示形式为准
确表面加工刀具路径生成可能导致大量计算［６１。最近，随着微分几何概念的应用，五轴工具定位提出一种等曲率加工方法Ｆ－ｇ］，
第１３卷第１期２０１３年２月
湖南工业职业技术学院学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＵＮＡＮ咖ＵＳＴＲＹＰＯＬＹＴＥＣＩＩＮＩＣ
Ｖｏ１．１３Ｎｏ．１
Ｆｅｂ．２０１３
自由曲面五轴数控加工刀具定位研究
唐
［摘
琴
欧阳陵江
长沙，４１０２０８）
（湖南工业职业技术学院机械工程系，湖南
要］本文为五轴数控机床曲面数控￣－ｒ＿ｚ／具位置和方向的确定提出了一种新方法。此方法利用局部曲面曲率和刀
具几何形状进行分析。基于这些局部属性的匹配来选择最佳刀具轴向以清除加工过切误差或控制误差在指定公差范围内。［关键词］五轴加工；刀具轴定位；自由曲面；

自由曲面加工刀具路径轨迹规划算法研究

自由曲面加工刀具路径轨迹规划算法研究一、本文概述随着现代制造业的快速发展，复杂曲面零件的加工需求日益增加，而自由曲面加工刀具路径轨迹规划作为决定加工质量和效率的关键因素，已成为研究的热点。

本文旨在探讨自由曲面加工刀具路径轨迹规划的相关算法，以期为提高加工精度和效率提供理论支持和实践指导。

本文将首先综述自由曲面加工刀具路径轨迹规划的研究背景和意义，分析当前国内外在该领域的研究现状和发展趋势。

在此基础上，深入探讨自由曲面加工的特点和难点，以及刀具路径轨迹规划的基本原则和要求。

随后，本文将重点研究自由曲面加工刀具路径轨迹规划的关键算法，包括曲面造型算法、刀具轨迹生成算法、轨迹优化算法等，并对这些算法进行详细的理论分析和实验验证。

通过本文的研究，旨在提出一种高效、稳定的自由曲面加工刀具路径轨迹规划算法，为复杂曲面零件的加工提供一种新的解决方案。

本文的研究成果也将为相关领域的研究人员提供有益的参考和借鉴，推动自由曲面加工技术的进一步发展。

二、自由曲面加工理论基础自由曲面加工，作为一种高度灵活的加工方式，在现代制造业中占据了重要的地位。

自由曲面，区别于传统的规则几何面，具有非常复杂和不规则的几何形状。

这类曲面的加工需要依赖先进的数控加工技术和精确的刀具路径轨迹规划算法。

自由曲面加工的理论基础主要包括数学几何理论、数控加工技术、刀具运动学以及切削力学等。

数学几何理论为自由曲面的描述和建模提供了基础，如参数化曲面、NURBS曲面等数学模型，能够精确地描述自由曲面的形状。

数控加工技术则负责将数学模型转化为具体的加工指令，通过数控系统控制机床的运动，实现曲面的加工。

在刀具路径轨迹规划方面，关键在于根据曲面的几何特征，选择适当的加工策略，生成无碰撞、平滑且高效的刀具路径。

这涉及到刀具运动学的知识，如刀具的姿态调整、切削速度的设定、刀具与工件的相对运动等。

切削力学则关注在加工过程中，刀具与工件之间的切削力、切削热等物理量的变化，以及这些物理量对加工质量的影响。

自由曲面五轴平底刀加工路径的NURBS化

图2
求相邻路径的切削点
在确定出 P 点的切削宽度所对应的截交点 P' 之后，要求得下一路径对应的 P! 点，同样以可能发生干涉的凹区域为例进行分析。计算与 P' 相邻的下一个截交点的在比较平面内的曲率 K，同时可计算出其对应的曲率中心，采用与由 P 搜索 P' 同样的方法，由 P' 搜索出 P! 。在由 P' 搜索 P! 的过程中，需计算 P' 以后的截交点处比较方向的曲率。截交线在截交点的曲率 K，并不
1
刀具路径规划
设待加工曲面的方程为：
m I
r = （ r U， 1 ）=
（（ N， 3 U） 3 1） Z Z!i，ii，Ni， i=0 =0
m I
（1）
（（ N， 3 U） 3 1） Z Z!i，Ni，
i=0 =0
式中， — — 曲面参数；i — — — 控制顶点； — — 各控 U、 1— !— 制顶点对应的权因子；Ni， — — 三次 B 样条基函数 N， 3、 3— 首先，选其某一边界线作为初始加工路径，不失一般性，以 1 = 1 min 这条 U 线作为初始加工路径。再令进给步长 !L 为：（其中，为指定的最 1 max !L = 1 maxe!T 大进给速度、。由于 !T 的取值 !T 为铣床的插补周期）很小，因此 !L 的值也很小。在这个微直线段内，一般都能够满足插补误差的要求。以 !L 为步长离散初始加工路径，得到一系列的切削点（简称为 CC 点）。由这些点对应的 U 、通过 NURBS 曲面方程很容易求得 1 值，对应的法矢 I 、进给方向的切矢 S ，以及比较方向的法曲率 I（比较方向为：。采用等残留高度法， g = S X I） 0 对刀具路径上任意一个 CC 点 P ，可求得相邻的下一路径上对应的 CC 点 P e 。如图 1 所示，对 CC 点 P ，其比较平面为 0 。为求得 e 相邻的下一路径上对应的 CC 点 P ，首先必须求出刀具在 P 点的切削宽度。而为了保证加工精度，有必要求出比较平面与曲面的截交线。由于 NURBS 曲面的复杂性，求截交线的解析表达式比较困难。因此采用密集的离散点来近似截交线。由于离散点在需要的时候可进一

自由曲面高性能数控加工刀具路径技术研究

自由曲面高性能数控加工刀具路径技术研究一、本文概述随着现代制造业的快速发展，自由曲面零件在众多领域中得到了广泛应用，如航空航天、汽车制造、模具制造等。

自由曲面零件的加工精度和表面质量直接影响着产品的性能和使用寿命。

研究自由曲面高性能数控加工刀具路径技术，对于提高加工效率、保证加工质量和降低加工成本具有重要意义。

本文旨在探讨自由曲面高性能数控加工刀具路径技术的相关理论和方法，分析刀具路径生成过程中的关键因素，研究优化刀具路径的策略，并通过实验验证所提方法的有效性和可行性。

本文将对自由曲面数控加工刀具路径技术的研究现状进行综述，分析现有技术的优点和不足。

研究自由曲面数控加工中的刀具路径规划方法，包括刀具选择、路径生成和优化等方面。

接着，探讨基于不同优化算法的刀具路径优化技术，以提高加工效率和质量。

通过实验验证所提方法的有效性，并对实验结果进行分析和讨论。

本文的研究不仅有助于推动自由曲面数控加工技术的发展，还可为相关领域提供有益的参考和借鉴。

本文的研究成果对于提高我国制造业的整体水平和竞争力也具有一定的促进作用。

二、自由曲面数控加工技术概述自由曲面，作为一种复杂且不规则的几何形状，在航空、汽车、模具等制造领域具有广泛的应用。

由于其形状复杂，传统的加工方法往往难以满足其精度和效率的要求，自由曲面数控加工技术应运而生。

数控加工技术通过计算机控制机床，实现对工件的精确加工，尤其适用于复杂曲面的加工。

自由曲面数控加工技术主要包括刀具路径规划、数控编程和机床控制三个核心环节。

刀具路径规划是数控加工的关键技术之一，它决定了加工过程中刀具的运动轨迹，直接影响着加工质量和效率。

刀具路径规划需要考虑的因素包括曲面形状、材料特性、加工精度、切削力、切削热等。

在刀具路径规划过程中，常用的算法有等参数线法等残留高度法、基于几何特征的刀具路径规划等。

等参数线法是根据曲面的参数方程，沿着参数线进行刀具路径规划，适用于参数化的自由曲面。

五轴加工中的刀具路径规划技术

五轴加工中的刀具路径规划技术五轴加工是指利用机床的五个轴能够进行多维度运动进行加工。

相对于传统的三轴加工，五轴加工具有更强的灵活性和精度控制能力，能够满足更高要求的加工需求。

然而，在五轴加工中，由于刀具遇到的表面形状非常复杂，会出现很多困难的路径规划问题。

因此，刀具路径规划技术是五轴加工中的一个极其重要的技术。

刀具路径规划技术主要解决的问题是如何合理地对工件进行加工。

在三轴加工中，刀具路径大概只有两种：顺序或者Z字形。

而五轴加工中，由于整个加工场景瞬息万变，因此需要进行更复杂、更灵活的路径规划。

需要根据工件的不同曲面以及刀具的特点，不断地优化路径规划，以达到更高的精度和效率。

对于五轴加工中的刀具路径规划技术，其中关键的问题是如何处理刀具与工件之间的碰撞。

在五轴加工中，由于轴的运动范围相当大，因此刀具在加工的过程中可能会发生与工件碰撞的情况。

一旦发生碰撞，不仅会损坏工件，还会对整个加工流程造成不可估量的影响。

因此，为了解决五轴加工中的路径规划问题，考虑刀具与工件之间的碰撞是非常必要的。

在这个过程中，避免刀具和工件的碰撞非常重要。

可以采用一些基于约束规则和基于优化算法的方法，来找到合适的路径规划方案。

基于约束规则的方法通常通过约束刀具的运动方向来避免碰撞，而基于优化算法的方法则通过优化刀具的动作来保证最佳路径规划。

首先，基于约束规则的方法能够避免刀具和工件之间的碰撞。

这种方法常见的方式是实现规避障碍物的算法。

该算法将刀具的运动方向约束在非碰撞区域内。

当刀具的路径遇到一个障碍物时，算法会自动调整刀具的路径，使之避开障碍物。

这样，刀具就可以稳定地移动，避免与工件碰撞。

另一种方法是基于优化的算法，该算法可以自动优化刀具的路径，以便尽可能地避免碰撞。

这种算法大概分为两类。

一类是基于遗传算法(GA)的方法，它通过优化刀具路径的运动，以找到最小化碰撞数的路径。

这些算法在寻找最佳路径时通常会对许多不同的方案进行评估。

空间自由曲面五轴联动数控加工

ｍｔｏｓｏｏｐｔｌｎｉｇｉ－ｘｓｕｅｉｌｏｔｌａｈｎｎａｅｒｅｒｕａｅｏｅｅ－ｅｈｄｔｌａｈｐａｎｎ５ａｉｎｍｒａｃｎｒｃｉｉｇｏｓｃｅｍｓｒｓｌｘｆｏｎｃｏｍｆｐｆｆ＇ｃ
ｚＮｉ —ｉ，Ｉｈｎ— ｅＹＮｉｇｄｎＨ０ＧＪａｌＬＵＺｏｇｈ，ＡＧＱｎ— ｏｇｎｎ（ｃｏｌｆｃａｒｎｃＥｇｅｒｇＢｉｎｆｒｔｎＳｉｎｅｎｅｈｏｏｙＵｉｅｓｙＢｉｎ０１２ＣｉａＳｈｏｏｈｔｉｎｉｅｉ，ｅｉｇＩｏｍａｉｃｃｄＴｃｎｌｎｖｒｉ，ｅｉｇ１０９，ｈｎ）Ｍｅｏｎｎｊｎｏｅａｇｔｊ
ｐｏｎｅｗｈｉｈｉｃｕｅｐａａｔｉｔｏｃｔｅｏａｔｉｔｔｎｒｓ－ｅｔｎｍｅｈｄ，ｕｔｒＺｃ一ｕｄｄ，ｃｎｌｄｒｍｅｒｃｍｈｄ，ｕｔｒｃｎｔｎｈａｄｃｏｓｓｃｉｔｏｃｔｅｒ０ｅｃｐｏｐａｏＪ
钟建琳刘忠和杨庆东（北京信息科技大学机电学院，北京１０９）０１２
５ａｉｕｅｉａｏｔｏａｈｎｎｆｐｃｒｅｆｒｓｒａｅ－ｘｓｎｍｒｌｎｒＩｃｃｍｃｉｉｇｏａｅｆｅ－ｏｍｕｆｃｓｓ
ｉ轴向规划进行了论述：垂直于表面方式、平行于表面方式、倾斜于表面方式。纳总结了刀具干涉；最后－３
；的检测与处理的方法，并分别说明了其优缺点和适应范围。ｉ关键词：由曲面；自五轴数控ＮＴ；刀具路径规划，１干涉检查【ｓｒｃ】ｄｏｉｎｏｔｅ５ａｉｎｍｒａｃｎｒｌａｈｎｏｌｉｉｒｄｃｄＴｅｅｂｓｃＡｂｔａｔＭｏｅｏｔｈ－ｘｓｕｅｉｏｔｃｉｅｔｓｓｎｏｕｅ．ｈｎｔａｉｆｍｏｆｃｌｏｍｏｔｈ

浅析自由曲面数控加工中刀具路径规划

由于通过直线插补大量刀位点来进行数控加工，存在很
多缺陷，利用ＮＵＲＢＳ刀具路径进行数控加工，已受到更加广泛的重视。为了将有序刀位点表示的刀具路径，转化为ＮＵＲＢＳ形式表示的刀具路径，必须对刀位点数据进行ＮＵＲＢＳ曲线的拟合处理。由于刀位点数据特殊性的存在，特别是刀位点数据量大的特点，使前面介绍的数据拟合方法在应用于刀位点的ＮＵＲＢＳ曲线拟合时，往往出现较大的误差，无法得到理想的曲线，不能满足ＮＵＲＢＳ刀具路径生成的需求。２．４优化算法设有ｍ＋１个有序刀位点只（＿『＝０，ｌ，…，而，对这些刀位点
自由曲面数控加工中，刀具路径的规划问题较为复杂。近
所得到的点位信息较多；优点是计算比较简单。（２）参数筛选法。首先按预设的等参数步长离散ｕ或ａ参数线，计算出零件表面对应的点列和每一点处的法矢，然后按曲面的曲率和加工精度，从点列中筛选出点位信息。这种方法中运用了过滤算法和细化算法，过滤算法用于依据曲率变化合并一些间隔，以减少数据量；细化算法则依加工误差的要
２．３
ＮＵＲＢＳ刀具路径为了克服线性插补刀具路径本身固有的缺陷，许多新型
数控系统己经配备了先进的ＮＵＲＢＳ曲线插补功能模块。由ＮＵＲＢＳ曲线的性质可知，当曲线的阶次确定以后，ＮＵＲＢＳ曲
ＮＵＲＢＳ曲线拟合及刀具路径生成
线便可以由控制顶点、权重因子矢量和节点矢量三组参数所
唯一确定。通过ＮＵＲＢＳ插补，ＣＮＣ系统可以控制机床精确实现ＮＵＲＢＳ曲线刀具轨迹的运动，从而克服由线性插补来近似曲线加工所带来的加工缺陷。这样，利用ＮＵＲＢＳ刀具路径进行加工，就可以实现更加光滑连续的刀具轨迹，得到高精度的光顺被加工表面质量。对相同的刀具路线，若以直线段插补的刀具路径表示，当编程精度为０．０５ｌｌｌｍ时，此路径曲线需要离散成２４段短小的直线段组成的刀具路径；当编程精度为０．０２Ｉｎｎ，！时，则需要３９段直线段；对于更高的加工精度要求，则组成刀具路径的直线段数量会更多，且该数量还会随着曲线形状复杂程度的增加而增加。在使用ＮＵＲＢＳ刀具路径进行数控加工时的ＮＣ程序指

自由曲面数控加工刀具轨迹的规划与计算

１、短程线曲率半径计算设被加工曲面方程为Ｓ（ｕ，ｖ）＝｛ｘ（ｕ，ｖ），ｙ（ｕ，ｖ），ｚ（ｕ，ｖ）｝（１）其上一条已知刀具轨迹为Ｐ（ｕ（ｔ），ｖ（ｔ））（如图７）
图７短程线曲率半径的计算根据短程线的几何性质可知，曲面上在给定点处的短程线的主法矢方向是沿着曲面在该点处的法矢方向，于是可以根据曲面的第一和第二基本公式计算出短程线曲率半径
图５ＣＬ路径截面法生成刀具轨迹对于复杂曲面的加工，截面法加工效果明显，容易实现曲面间的光滑走刀。其不足之处在于计算比较复杂，如果曲面求交算法的可靠性不高或精度低，那么可能会导致计算结果错误或者轨迹不满足精度要求。采用截面法加工曲面时，如果曲面各处都比较平坦，则可以生成分布比较均匀的刀具轨迹，加工后可使零件表面上的残留高度比较均匀。但是截面法加工的截面间距不易控制，难以与曲面实际形状相吻合，导致在曲面的平坦处轨迹较为密集，而在陡处轨迹比较稀疏，加工后表面的残留高度不均匀，表面质量不一致，加工效率也不高。下图为截面法加工马曲面的刀具轨迹：
－１２２－
工程论坛
中国科技信息２００５年第１３期ＣＨＩＮＡＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＪｕｌ．２００５
（ａ）参数空间（ｂ）ｃａｒｔｅｓｉａｎ空间图４曲面离散过程
１）将曲面在参数空间沿ｕ向和ｖ向进行四叉树划分，然后把四边形分解为两个三角形（如图ａ所示）；
２）曲面模型——刀触点轨迹——无干涉刀位轨迹。其基本思路是首先生成不考虑干涉问题的刀触点轨迹，然后通过干涉检查与处理，生成无干涉刀位轨迹。这种策略非常适用于四、五轴数控加工，因为在四五轴数控加工中，由于刀轴控制的灵活性，很难由刀位点确定刀触点和刀轴的最佳偏转角度，所以四五轴数控加工尤其是非球头刀加工进刀具轨迹的生成算法基本采用该策略。

五轴联动数控车床刀具路径优化算法研究

五轴联动数控车床刀具路径优化算法研究引言：随着制造业的快速发展，数控车床在工业生产中扮演着至关重要的角色。

尽管五轴联动数控车床具有更高的加工精度和复杂零件加工能力，但是其刀具路径的优化仍然是一个具有挑战性的问题。

本文将探讨五轴联动数控车床刀具路径优化算法的研究，旨在提高工件的质量、减少加工时间和工具的磨损，从而提高生产效率。

一、概述五轴联动数控车床是一种具有五个坐标轴的先进机床，它可以使刀具在空间中自由移动，从而能够加工出形状复杂的工件。

然而，由于运动轴之间的互相制约以及工具长短等因素，刀具路径的选择变得相当复杂，容易出现冗余运动、工具干涉等问题。

二、相关算法1. 路径规划算法路径规划是五轴联动数控车床刀具路径优化算法中的一个关键环节。

传统的路径规划算法包括最小切削路径法、均匀切削路径法和建模路径法等。

近年来，基于智能优化算法的路径规划算法也得到了广泛的研究和应用，如遗传算法、模拟退火算法和粒子群算法等。

这些算法通过对初始路径进行优化，能够有效地避免干涉和冗余运动，提高加工效率。

2. 工具轨迹生成算法工具轨迹生成算法是在路径规划的基础上，生成实际刀具在加工过程中的运动轨迹。

最常用的方法是维护一个工具刀具轨迹的路径规划或点云生成，然后根据路径规划的结果生成实际的刀具轨迹。

3. 轨迹优化算法轨迹优化算法是指在生成刀具轨迹后，对其进行进一步优化，以减少刀具的运动路径长度、降低加工时间和减少工具的磨损。

常用的优化算法包括动态规划、最优控制和遗传算法等。

这些算法能够通过对轨迹进行分段或局部优化，使刀具的运动更加高效，提高生产效率。

三、优化效果与评价指标五轴联动数控车床刀具路径优化算法的最终目标是提高工件的加工质量、减少加工时间和降低工具的磨损。

为了评价优化算法的效果，可以根据以下指标进行评估：1. 加工精度：通过与设计要求进行对比，评估优化算法对加工精度的影响。

2. 加工时间：比较优化算法前后的加工时间，通过减少不必要的运动来提高加工效率。

等残留高度算法应用于自由曲面五轴刀路规划研究

等残留高度算法应用于自由曲面五轴刀路规划研究肖善华【摘要】针对五轴零件加工过程中自由曲面生成的刀具路径代码冗余,加工效率较低和加工表面质量不高等问题,对自由曲面加工中的常用刀具路径算法进行了分类,提出了等残留高度相关算法模型.计算了等残留高度点及在自由曲面的投影点,并对角度值β进行了迭代计算,对自由曲面加工中的五轴刀轴倾角λq值进行了推导计算;以螺旋桨叶片复杂自由曲面模型为刀路加工载体,生成了五轴刀路轨迹,与Mastercam软件的高速动态铣削(旋转五轴)模块功能生成五轴一般刀路进行了对比分析.研究结果表明:等残留高度算法能缩短五轴自由曲面的刀路长度,提高加工效率及零件表面质量.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2019(036)007【总页数】5页(P722-726)【关键词】等残留高度模型;刀轴倾角;Mastercam;螺旋桨叶片【作者】肖善华【作者单位】宜宾职业技术学院现代制造工程系,四川宜宾644003【正文语种】中文【中图分类】TH1640 引言复杂的自由曲面路径生成算法,目前主要有等截面算法、等参数线算法、等残留高度算法。

前两类方法刀具轨迹计算比较简单,而等残留高度算法以其加工时的刀具路径轨迹短、加工时效率更高、残余高度均匀并且一致、零件加工表面质量最高而得到广泛的应用。

该算法是美国的SURESH和YANG[1]提出的一种数控加工刀具路径优化方法,针对等残留高度法，国内外学者进行了深入研究。

文献[2]提出了改进的等残留高度轨迹规划的数学建模，从而使刀具轨迹的计算更加简单高效；文献[3]提出了改进的等残留高度法生成五轴的NC刀位轨迹，刀具轨迹沿特定的方向走刀时，加工时间会比刀轨沿其他方向时更短；文献[4]研究了网格曲面等残留高度路径规划算法,曲面分割加工中的一种耦合效应，能减少曲面分割的误差并提高曲面分割的加工效率；文献[5]研究了三角网格表面的刀轨长度较长、加工表面残留高度不均匀的问题,提出了一种改进截平面法的等残留高度刀轨生成算法。