第7章 曲面加工刀具路径
用球头铣刀加工模具曲面时刀具路径的优化
用下列方法进行计算 :
aeo = 2
h(2 R - h)ρ ρ±R
(2)
式 (2) 中 ,当零件曲面上凸时取正号 ,下凹 时取负号 。ρ为曲面上某处的曲率半径 。
实际编程时 ,如果零件曲面上各点的曲率
变化不太大 , 可取曲率最大处作为标准计算 。
有时为了避免曲率计算的麻烦 ,也可采用下列
近似公式来计算行距 :
Abstract : The p a rallel cut ti ng t ool p at h ge ne ratio n of ball2cut t e r was t a ke n as a n e xa mple t o st udy t he cut ti ng t ool p at h op ti mizati on f ro m t he asp ects of r ow sp aci ng , step le ngt h , sur2
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模 具 技 术 2009. No . 2
同 ,取决于曲面的曲率半径ρ与允许的插补误 差δ允 (其值应小于零件加工精度) 。步长 L 可
aeo = 2 2 R h
(3)
有时为了减小沟纹高度 ,也可以在原来的
两行距之间 (刀峰处) 加密行切一次 ,即进行一
次去刀峰处理 ,这样相当于将 aeo 减小一半 ,实际 效果会更好 。
(2) 选择合理的步长 L 。步长 L 的确定方
法与平 面 轮 廓 曲 线 加 工 时 步 长 的 计 算 方 法 相
模 具 技 术 2009. No . 2
(整理)三维曲面的绘制与刀具路径mastercam课程
西安航空职业技术学院Mastercam实训报告科目：Mastercam实训专业：机电一体化西安航空职业技术学院2012年11月01 日西安航空职业技术学院数控编程实训任务书题目：三维曲面的绘制与刀具路径设计内容：1、Mastercam界面的学习与熟悉及CAD的介绍2、完成三维线型框架及曲面绘制3、CAM的参数设置4、生成G代码技术条件或要求培养学生具有数控机床操作、编程能力，选取典型零件，要求学生根据零件图进维线型框架及曲面绘制与CAM参数的设置及生成G代码并进行相关专业知识及计算机相关软件的熟悉，按要求完成设计说明书一份。
指导教师签名：教研室主任签名：发题日期：2012年10月24日完成日期：2012年11月01日前言Mastercam是美国CNC软件公司开发的CAD/CAM一体化软件，它集二维绘图，三维实体，曲面设计，数控编程，刀具路径模拟及真实感模拟等功能于一身，且对系统运行环境要求较底，可以使用户在产品设计，工程图绘制，2~5坐标的镗铣加工，车削加工，2~4坐标的切割加工以及钣金下料等加工操作中都能获得最佳效果。
Mastercam自诞生以来，因其基于PC平台，支持中文环境，并且价格适中，被广泛应用于众多的企业中。
它是一个大众化、人性化的软件，它的CAM应用使用非常方便、快捷、安全，这使得它使用覆盖面及广。
三维刀具路径的内容接近实际加工，并且可以直接应用到数控实训中。
目录第一章MASTERCAM 的介绍 (1)1.M ASTERCAM 的启动 (1)2.M ASTERCAM的设置 (1)3.有关CAD的介绍 (2)第二章三维曲面的绘制 (2)1操作步骤： (2)第三章三维加工 (12)第四章生成G代码 (24)结束语 (25)谢辞 (26)1.Mastercam 的介绍1.1Mastercam 的启动当计算机已装好Mastercam时，可以通过双击桌面上的图标启动Mastercam,也可以选择【开始】|【所有程序】来启动Mastercam.1.2.Mastercam的设置Mastercam软件自身有一个内定的系统配置参数，用户可以根据自身的需要和实际情况来更改某些参数，以满足实际使用的需要。
数控加工中基于自由曲面表面特性的刀具路径安排
2007年第26卷12月第12期机械科学与技术M echanical Science and T echno l ogy for A erospace Eng ineer i ng D ece m be r V o.l 262007N o .12收稿日期:2006-09-27基金项目:国家自然科学基金项目(50575082)资助作者简介:何雪明(1966-),男(汉),江苏,副教授,硕士,hxue m 2003@163.co m数控加工中基于自由曲面表面特性的刀具路径安排何雪明1,2,李成刚1,胡于进1,曲 萍2,马仙龙2(1华中科技大学机械科学与工程学院,武汉 430074;2江南大学机械工程学院,无锡 214122)摘 要:目前CNC 上的轨迹控制功能仍主要是直线和圆弧插补,因此当加工自由曲面时,大多只能采用直线或圆弧逼近算法来对曲线进行逼近处理。
针对数控加工的实际需求,现在数控系统技术人员对数控机床插补器进行研究并开发出了许多曲线和曲面插补功能。
基于曲线插补,在保持进给速度尽可能恒定的条件下,对刀位路径和刀位速度进行离线的曲线拟合,以便于得到用于数控加工的刀位文件。
这种方法能有效解决进给速度的波动问题,并能有效压缩刀位文件。
为此,提出几种算法来拟合刀位路径和刀位速度轮廓曲线。
曲线和曲面插补在数控代码数据量和逼近误差方面都有较大的改善。
关 键 词:刀位路径;刀位速度;曲线插补;曲线拟合中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1003-8728(2007)12-1517-07CNC Tool Path Planni ng Base d on Characteristics of Free -for m SurfaceH e X ue m i ng 1,2,L i Chenggang 1,H u Y u ji n 1,Qu P i n g 2,M a X ian l ong2(1Schoo l o fM echan i ca l Sc i ence and Eng i neering ,H uaz hong U n i versity of Sc i ence and T echno logy ,W uhan 430074;2Schoo l ofM echan i ca l Eng i neering ,Southern Y ang tze U n i versity ,W ux i 214122)Abst ract :A t presen,t co m puter num erica l contr o l(C NC)m ach i n es still use li n ear i n terpo lation and arc interpo la -ti o n to contr o l their trajectories .Therefore ,i n m ac h i n i n g a free -fo r m surface ,m ost o f t h e m use the li n ear and arcapproach algo rithm to approach its curves .A cco r d i n g ly C NC techn icians study the i n ter polato r o f a CNC m achine too l and deve l o p m any functi o ns o f cur ve interpo lation and free -for m surface i n ter polati o n .U si n g the curve i n terpo -lation ,they perfor m the of-f li n e curve fitting o f cutter l o cation(CL)path and CL feeding ve l o c ity under the cond-i ti o n t h at t h e latter is kept as constant as possi b le .Thus they obta i n CL fil e s to be used i n CNC m achining .Th is m ethod can effectively reduce the fluctuation of feeding velocity and condense CL files .For these reasons ,w e pro -pose several algorithm s for fitting the pr o file curves of CL path and CL feeding ve l o c ity .The algorithm no tab l y i m -proves the curve and free -fo r m surface interpo lator i n ter m s o f the nu m ber o f C NC codes and approach errors .K ey w ords :cutter location path ;curve interpo lation ;cur ve fitti n g ;c u tter locati o n feeding veloc ity 曲面加工是数控技术和CAD /C AM 的重要应用与研究对象,如何经济地实现高效高质量的加工一直是其重点问题[1]。
复杂曲面加工刀具路径PPT课件
刀具路径研究规划现状
近些年来为了解决5五轴加工中的一些问题，又提出了一 些新的刀具路径生成技术，这些问题包括：如何降低仿真 和加工时间；组合曲面、非参数曲面加工路径的生成等；
• 等残留高度法（iso-scallop tool paths planning）
• 曲率匹配加工法（Curvature matched machining）
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截面线加工方法
该方法是在计算过程中，将刀具与被加工曲面的 接
触点(CC点)始终约束在另外一组曲面内，即用一 组
约束曲面与被加工曲面的截交线作为接触点路径 来
生成刀具路径。
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截面线加工方法
截面线刀具轨迹规划方法对 走刀路线的控制灵活，所生 成的刀具轨迹相对均匀，从 而加工效率有所提高，适合 于参数线分布不均匀的曲面 加工、型腔加工及复杂组合 曲面的加工。但是需要进行 求交运算，算法复杂，计算 量大。
Robustness: We consider robustness as an adaptation capability with the different surfaces and machines. A robust system should be able to work with multi-patch surfaces and their continuity conditions. It should work for both parametric models and tessellated models.
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其他方法
• 曲率匹配加工法（Curvature matched machining） 通过切削刀具和工件在切削接触点的曲率匹配来规划刀具路径和 对刀具定位的方法
Mastercam X3应用与实例教程第7章 三维曲面加工
1．粗加工参数 整体误差：设定曲面刀具路径的精度误差。公差值越小，加工的曲面精 度越高，但计算时间和加工程序越长。 Z轴最大进给量：设置两相邻切削路径层间的最大Z向距离（切深）。 进刀选项：设定曲面挖槽加工的下刀方式（螺旋或斜线），保证刀具进 入切削区域时平稳而又高效，利于提高加工效率和延长刀具寿命。 2．挖槽参数
沿流线方向的刀具痕迹
1．切削方向的控制（Cut Control） 用于曲面流线加工时，控制刀具沿曲面切削方向的切削运动。 距离（Distance）：设定沿曲面切削方向的切削进给量。它决定着刀具 移动距离的大小。 整体误差（Total Tolerance）：设定曲面刀具路径的精确程度，即刀具 路径与曲面之间允许的最大弦差。设置值越小则产生的刀具路径越精确。 执行过切检查（Check Flowline Motion for Gouge）：对刀具切削路径 执行过切检查，如临近过切，系统会对刀具路径进行自动调整。
1．封闭式轮廓的方向
用于设定等高外形加工中，封闭式外形的切削方向：顺铣或逆铣。 起始长度：设定每层刀具加工路径的起始位置与上层刀具路径起点的偏移 距离，使每次下刀位置发生变化，避免刀痕。
2．开放式轮廓的方向
用于设定等高外形加工中，开放式外形的切削方向：单向或双向。
（a）起始长度=0 （b）起始长度=5 图7.32 刀具路径的起始长度
7.2.2 放射状粗加工
放射状粗加工（Rough Radial Toolpath）用于在工件表面产生由中心向 外扩散的放射状刀具路径，适于旋转曲面或实体加工。 1．最大角度增量 2．起始角度 3．起始补正距离 4．扫描角度 5．起始点
扫略角度
刀具路径 最大角度增量
起始角度
刀具路径中心 起始距离
曲面加工的刀路定义及自动编程
曲面加工的刀路定义及自动编程一、实训目的（ 1）、初步掌握 M aster CAM曲面粗、精加工的刀路定义方法（ 2）、了解MasterCAM曲面加工刀路定义的主要参数设置（ 3）、初步了解MasterCAM曲面加工工艺二、预习要求认真阅读教材中有关曲面加工的刀路定义及自动编程部分的内容。
三、实训理论基础1 ．曲面的选取：在曲面数量不太多时，可一个一个地直接选取；在曲面数量很多时，就需要采用快捷的选取方式，可能大多数情况下是选“所有曲面”项，当只需要加工众多曲面中的部分，而另外部分曲面需要定义为干涉曲面时，最好事先将相应的曲面定义成群组。
这样在选取曲面时就可有选择性的选“群组”项。
对于全体曲面中刀具加工不到的曲面部分， MsterCAM 在进行刀路计算时会根据曲面干涉情况自动测算，因此大多数情形下不需要考虑要不要将这些曲面从加工群组中剔除。
2 ．曲面深度设定图 14-1 深度分层控制曲面深度设定用于控制 Z 方向要加工的范围。
默认设定是顶部和底部都预留 0.2mm 的增量坐标方式（如图 14-1a ），即加工范围为曲面最高点下方 0.2mm 到曲面最低点上方 0.2mm ；如果需要人为控制 Z 加工范围，可设定绝对坐标方式，这样可以根据曲面的曲率变化情况有意识地将曲面按不同的 Z 区段以不同的 Z 步距进行刀路设计，从而有效地控制加工质量。
Z 向加工的分层控制，主要是设定 Z 向步距值。
3 ．曲面粗加工1 ）．挖槽式：以挖槽的方式，可将限制边界范围内的所有废料都切除掉，切削量分配合理，是块状料粗切的较理想的方式。
图14－2挖槽式曲面粗切刀路2 ）．平行式：以垂直于 XY 面为主切削面（由加工角度决定），紧贴着曲面边廓产生刀路。
图14－3平行式曲面粗切3 ）．径向扫射式：以指定的一点为扫射中心，以扇面的方式产生刀路。
该法适用于圆形坯件的切削。
图14－4径向扫射式4 ）．等高外形方式：以 XY 为主切削面，紧挨着曲面边廓产生刀路，一层一层地往下推进。
机械产品三维设计与自动编程—CATIA V5R20第七章 曲面铣削加工
图7-10
1-14
6. 设置进刀/退刀 选择【Roughing】对话框中的 （进/退刀）按钮。在对话框的 【Macro Management】列表中单击Automatic选项，参数设 置为默认方式；单击Pre-motions选项方式下，单击 （从平面 ）按钮；单击Post-motions.1选项方式下，单击 按钮，如图 7-11所示。
图7-5
1-8
7. 完成零件操作设置 单击【 Part Operation】对话框中的【确定】按钮，即可 完成零件操作的参数设置。 五、设置加工参数 1.在特征树中选中 ，单击 （等高线粗 加工）按钮，插入一个等高线粗加工步骤，系统弹出【 Roughing】对话框，如图7-6所示。
1-9
图7-6
1-13
5. 设置刀具路径 选择【Roughing】对话框中的 （刀具路径）按钮，单击【 Machining】选项，在machining mode下拉列表中选择【By Area】和【Outer part and pockets】选项，在Tool path style下拉列表中选择Helical选项；单击Radial选项，然后在 Stepover下拉列表框中选择Stepover length选项，其他参数采 用默认设置，如图7-10所示。
1-3
图7-2
图7-3
1-4
三、零件操作定义 零件操作定义主要包括：设置数控加工机床、加工坐标系设置、加工 零件及毛坯选择、安全平面设置等。 1. 打开零件操作设置对话框 在【 P.P.R. 】特征树中，双击【 ProcessList 】节点中的【 Part Operation】结点，弹出【 Part Operation】对话框。 2. 机床设置 在【 Part Operation】对话框中单击 （ 机床设置）按钮，弹出【 Machine Editor】对话框，按照默认设置，选择【3-axis Machine 】（三轴机床）。 在【 ResourcesList 】节点下出现机床名称。
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。
Mastercam X中文版基础教程 第7章 三维曲面加工
图7-3 【选取工件的形状】对话框
图7-4 【刀具路径的曲面选取】对话框
图7-5 平行粗加工参数设置
3．生成刀具路径，模拟加工。
(1)系统自动计算并生成刀具路径，如图7-6所示。 (2)对生成的刀具路径进行加工模拟，模拟加工的结果如图7-7
所示。 4．保存文件。
图7-6 生成的刀具路径
７.10 典型综合实例3——加工烟灰缸模型 7.11 小结
7.1 泵盖零件的粗精加工
7.1.1平行铣削粗加工
曲面粗加工平行铣削刀具路径都是直线平行路径,主 要用于对单一凸起或者凹状的简单造型工件做粗加工。 1.环境配置
(1)选择菜单命令【刀具路径】/【曲面粗加工】/【粗加工 平行铣削加工】，打开平行式粗加工模组。 (2)打开【选取工件形状】对话框，选择【未定义】方式， 由系统自动识别图形凹凸状。 (3)系统提示用户选择图形，选择曲面或实体。 (4)按 Enter 键确认，系统打开【刀具路径的曲面选取】对 话框。利用此对话框，用户可以重新进行曲面或实体的选 择、修改等操作。这样选取曲面后即可打开【曲面粗加工 平行铣削】对话框
7.3 凹模的加工 7.3.1 插削粗加工
插削粗加工主要对平面进行点阵式插削加工，用于对 凹槽进行粗加工。一般采用钻削刀具，加工中往往需要打 开冷却液，以起到排屑和散热的作用。
选择菜单命令【刀具路径】/【曲面粗加工】/【粗加工 钻削式加工】，即可打开【曲面粗加工钻削式】设置对话 框，如图7-18所示。
图7-12 生成的刀具路径
图7-13 模拟加工结果
7.2.2 交线清角
选择菜单命令【刀具路径】/【曲面精加工】/【精加工 交线清角加工】，即可打开【曲面精加工交线清角】设置 对话框。如图7-14所示。
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。
曲线、轮廓加工刀具轨迹计算
线段B在ri处沿轮廓走向的单 位切矢
线段A在ri处沿轮廓走向的 单位切矢
线段B在节点ri处沿刀具偏置 方向的的单位法矢
线段A在节点ri处沿刀具偏 置方向的的单位法矢
nII=（0,0,1）为刀具轴线方向矢量。当偏置方向在轮廓走 向右侧时，取“+”号，左侧时，取“—”号。 ri是凸点指 和 的夹角大于90度，即 <0
次，可达到构成型腔轮廓粗加工刀具轨迹的一系列有效环。
（4）型腔区域加工的轨迹生成
型腔区域加工的轨迹可由构成型腔粗加工刀具轨迹的有关
环按加工行距要求不断偏置而成，直到所有环均不能继续 偏置为止。
2.平行走刀刀具轨迹生成
平行走刀是指用一组平行于某个方向的直线段作为加工型
腔区域的刀具轨迹，但型腔轮廓的精加工仍按环形走刀方 式进行。
（1）轮廓预处理与轮廓精加工刀具轨迹生成
该步骤目的是生成用于最后对型腔边界与各岛屿轮 廓进行精加工的刀具轨迹。
（2）轮廓粗加工刀具轨迹生成
该步骤目的是生成作为后续内腔区域加工轨迹边界约 束的型腔边界轮廓偏置环与各岛屿轮廓偏置环。
（3）区域加工约束边界的处理
构成区域加工约束边界的各环均是由直线、圆弧段组 成。对其进行以下处理：
其具体算法如下：
1）搜索各岛屿偏置环最小X坐标值minxk及其相应节点wk,
其中k为岛屿偏置环的编号（k=1~m）;
2)比较各minxk，求其最小值所对应的岛屿轮廓偏置环
Pj(1<=j<=m)。
3）设节点wj的坐标（x,y）,过该点作垂直于X坐标轴的直
线，并与边界偏置环P0各直线段求交，得交点串 {ui(x,y),i=1,2,„.n},n为交点数。搜索出交点us（x,ys ）,满足ys=min{yi>y,i=1,2,„.n},如图。
浅析自由曲面数控加工中刀具路径规划
2 刀具路径规划技术分析
在常规的数控加工中，自由曲面零件的切削刀具路径，是 由许多较小的直线段组成的，这种刀具路径我们常称之为线 性插补刀具路径，也称直线插补刀具路径。线性插补刀具路径 虽然具有表达简单、计算快捷等优点，但也有很多缺点。随着
收稿日期：2009- 04- 20 作者简介：王 博（1981－），男，山东泰安人，教师，主攻方向：数控加工。
在基于 ATP 的路径规划方法中，刀具的移动路线由一系 列称之为导动面 DS(drive surface)的曲面来定义。其主要思想 是在加工过程中，通过控制刀具的运动，使之同时与导动面和 零件面保持接触，使刀具按照正确的运动轨迹运动。这种方法
的缺点是：为了控制加工误差，每一刀步中均要进行反复的迭 代运算，以确定正确的刀位，迭代计算费时且在不规则的曲面 情况下不能保证迭代收敛；其优点是：刀具的路径完全由零件 面和导动面决定，因此可以沿着任何方向来规划刀具的路径， 同时可以保证不产生干涉现象。 1.2 笛卡尔坐标空间规划方法
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
适用于曲面的刀具加工路径规划方法与设计方案
图片简介:本技术介绍了一种适用于曲面的刀具加工路径规划方法，其特征在于，包括获得样本工件在规则二维平面上的平面刀具路径规划图像，将其与对应的真实刀具路径规划图像一起，构成训练样本对刀具加工路径规划模型进行训练；将平面刀具路径规划图像并将其与真实刀具路径规划图像进行相似度比较，完成刀具加工路径规划模型的训练；将待加工工件的工况条件及其对应的规则二维平面输入刀具加工路径规划模型，对应输出该待加工工件的刀具加工路径规划。
本技术技术方案针对目前神经网络在刀具加工路径规划问题上准确度不高、泛化能力不强的情况，采用对神经网络进行多样本、多工况对抗训练的方式，可以有效提高神经网络在刀具加工路径规划应用的精确度。
技术要求1.一种适用于曲面的刀具加工路径规划方法，其特征在于，包括S1根据工况条件，获得样本工件在规则二维平面上的平面刀具路径规划图像，将其与对应的真实刀具路径规划图像一起，构成训练样本对刀具加工路径规划模型进行训练；S2将样本工件的工况条件及其对应的二维平面输入神经网络，控制对应输出平面刀具路径规划图像并将其与真实刀具路径规划图像进行相似度比较，若符合相似度判断条件则进入步骤S3，否则进入步骤S1；S3遍历全部训练样本，完成刀具加工路径规划模型的训练；S4根据待加工工件的形状构造其三维结构模型，并通过参数域变换将所述三维结构模型的各个面展开为规则二维平面；S5将待加工工件的工况条件及其对应的规则二维平面输入刀具加工路径规划模型，对应输出该待加工工件的刀具加工路径规划。
2.根据权利要求1所述的一种适用于曲面的刀具加工路径规划方法，其中，步骤S2中所述相似度条件优选为平面刀具路径规划图像与真实刀具路径规划图像之间的相似度达到一定阈值。
3.根据权利要求1或2所示的一种适用于曲面的刀具加工路径规划方法，其中，所述规则二维平面优选为标准矩形平面。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种适用于曲面的刀具加工路径规划方法，其中，所述平面刀具路径规划图像与真实刀具路径规划图像之间的参数域变换为三维结构模型到规则二维平面之间的参数域变换的逆变换。
第7章 曲面加工刀具路径
一层再下降一个距离铣削下一层，以此类推，逐步向曲面靠拢。
曲 面 等 高 外 形 粗 加 工 参 数 对 话 框
第七章
曲面加工刀具路径
封闭式轮廓之方向 顺铣
等高外形粗加工参数
开放式轮廓之方向 逆铣
转角走圆之半径 进/退刀时走圆弧
起始长度 两区段间的过渡方式
单向
双向 沿着曲面
半径 扫掠角度
高速 回圈长度
所有曲面边缘走圆角
锐角处公差（在曲面或实体面边缘） 按距离 按进给量的百分比 跳开对隐藏面的检测 检测局部凸起
第七章
7.2.2
曲面加工刀具路径
Radial(放射状粗加工)
放射状曲面粗加工用于生成放射状粗加工刀具路径，常用于加工类 似于圆形的零件，其主要特点是中心对称。
第七章
放射状粗加工参数对话框
第七章 曲面加工刀具路径
曲面加工的一般步骤
1、绘出曲面模型，由于曲面的边缘不能直接作为曲线使用，所以如有必要 需作出曲面曲线； 2、依次选取MAIN MENU → Toolpaths → Surface（回主功能表→刀具路 径→曲面加工）命令，打开图7-1所示曲面加工菜单。 3、设置曲面加工菜单的Drive（导动面）、CAD file（CAD文件）、Check （干涉检查）、Contain（刀具切削边界）等参数，所谓导动面就是执行 曲面加工的曲面,所谓干涉检查面就是不执行曲面加工的曲面,即通过设 定干涉检查曲面使该曲面避开加工； 4、若粗加工，则选取Rough（粗加工）命令，打开曲面粗加工菜单，选择 需要的粗加工方法；若精加工，则选取Finish（精加工）命令，打开曲 面精加工菜单，选择需要的精加工方法； 5、根据系统提示设定加工的刀具参数以及与所选方法对应的专用参数； 6、如需要可设定边界轮廓； 7、执行加工刀具路径。
Mastercam X 实用教程第7章 三维曲面加工刀具路径
增量值 增量深度 第一刀的相对位置 其他深度预留量 侦测平面 临界深度 清除深度
图7-14 “切削深度（Cut depths）”对话框
重设 刀具在曲面（实体面）的边缘走圆角 自动（以图形为基础） 角 只在两曲面（实体面）之间 与所有边缘 尖角部分的误差（在曲面/面边缘） 距离 切削方向误差的百分比% 忽略实体中隐藏面的侦测 检查曲面内部锐角
7.4 曲面精加工（Finish）刀具 路径
取消选择 取消选择
取消选择
取消选择
图7-30 “刀具路径/曲面选择（Tool path/surface selection）”对话框
图7-31 “曲面流线粗加工参数（Rough flow line parameters）”选项卡
切换方向选项 补正方向 切削方向 步进方向 起点位置 边界误差 显示边界
7.3.1 平行铣削（Parallel）粗加工
7-8 平行铣削曲面加工图
图图7-9 “选择工件形状（Select Boss/Cavity）”对话框
图7-10 “刀具参数（Tool parameters）”选项卡
图7-11 “曲面参数（Surface parameters）”选项卡
图7-12 “平行铣削粗加工参数（Rough parallel parameters）”选项卡
取消选择
取消选择 取消选择
图7-7 “刀具路径/曲面选择（Tool path/surface selection）” 对话框
7.3 曲面粗加工（Rough）刀 具路径
• 曲面粗加工的目的是为了加工出曲面的轮廓形状， 以尽快地切除多余的材料。同时给精加工留有一 定的余量。Master cam X软件提供了以下8种曲 面粗加工（Surface Rough）的方法。
基于曲面划分的刀具路径规划设计
基于曲面划分的刀具路径规划设计张伟文;杨福祥;刘志伟【摘要】常规刀具路径规划算法在复杂曲面上较难得到高效的刀路.采用区域划分的方法提出了一个较高效的刀具路径规划算法.该算法先根据曲面离散曲率点阵来划分曲面,划分后的子曲面形状类似于直纹面,子曲面经过边界简化再生成刀具路径.实验结果表明,该算法产生的总路径较短,能有效提高复杂曲面的加工效率.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2016(000)009【总页数】3页(P125-127)【关键词】数控加工;刀具路径;曲面划分【作者】张伟文;杨福祥;刘志伟【作者单位】东莞职业技术学院,广东东莞523808;东莞职业技术学院,广东东莞523808;东莞职业技术学院,广东东莞523808【正文语种】中文【中图分类】TH164刀具路径是数控加工中刀具行进的轨迹，刀具路径的优化是提高数控加工效率的重要手段。
刀具路径的规划可分为全局优化和局部优化两种。
直接采用全局优化方法较难处理的复杂曲面，而采用局部优化是一个可行性更好的手段。
目前已有多个局部划分算法被提出来了。
杨洋等[1]采用加工力最小原理来划分曲面并生成加工路径，优化后刀具路径可以实现最小平均合成力。
肖钊等[2]提出了基于曲面离散刀位点聚类实现刀具路径分段的算法，离散后进行数据处理较为容易，该算法较为可靠，适应性较强。
Chen[3]提出了一个自适应的3-1/2-1/2轴的刀具规划算法]，此算法采用聚类和Voronoi划分来生成局部曲面，该算法划分较为粗糙，曲面边界问题未能很好解决。
Ding等[4]提出了一个3轴球头铣刀的自适应等平面刀具路径规划算法。
此算法中，工件待加工面会划分为多个等辐透面，然后基于等平面算法生成刀具路径。
Wang和Tang等[5]提出适合端面铣刀的五轴刀具路径生成算法，此刀具路径具有较高的效率，其划分的曲面较为狭长，子曲面之间需要处理边界较长。
以上算法均是先进行曲面划分然后再生成路径的局部优化方法，主要适合于端面铣刀或球头铣刀的加工，不能很好地应用于有效切削投影为平行四边形的磨削抛光加工。
曲面数控加工中面向NURBS刀具路径生成的刀位点分段算法
曲面数控加工中面向NURBS刀具路径生成的刀位点分段算法一、引言- 研究背景- 目的与意义- 现有研究问题及不足二、相关技术和理论- 曲面数学和NURBS基础知识- 数控加工技术与加工路径生成方法- 面向NURBS刀具路径的刀位点生成算法三、面向NURBS刀具路径的刀位点分段算法- 算法流程设计- 刀位点分布规则分析- 刀位点分段实现方法四、算法实现与验证- 程序设计与调试- 实验测试与结果分析五、结论及展望- 研究工作总结- 存在问题及改进方向- 前景与意义参考文献一、引言随着现代制造技术的不断发展和进步，数控加工技术越来越广泛地应用于各种工业制造领域。
其中，曲面数控加工技术是一种常见的高精度零件加工方式，具有加工精度高、加工效率高、加工自动化程度高等特点。
因此，曲面数控加工技术在航空、机械、模具等制造领域广泛应用。
曲面数控加工的基本任务是将 CAD 三维模型数据转化为数控加工机床的 G 代码，控制刀具轨迹实现加工操作。
在曲面数控加工中，生成高效、准确的刀具路径非常重要，可以直接影响加工质量和效率。
因此，如何将 CAD 三维模型数据转化为高效的数控加工机床 G 代码，逐渐成为曲面数控加工技术中的研究热点。
NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines）是一种常用的曲面表达方法，它在现代制造技术中得到了广泛应用。
针对NURBS 接口的刀具路径生成是曲面数控加工的一项重要研究内容。
目前，如何在计算机中精确地表示和绘制 NURBS 刀具路径已成为数控技术中需研究的关键。
在曲面数控加工中，如何实现高效的刀位点分段成为研究领域之一。
本论文将针对面向 NURBS 刀具路径生成的刀位点分段算法进行研究，为曲面数控加工机床提供高精度的 G 代码生成方案。
本文将从以下几个方面展开研究：首先，简要介绍曲面数控加工技术的发展背景、研究现状及存在问题。
随后，探讨本研究所需要用到的相关技术和理论，包括曲面数学和NURBS基础知识、数控加工技术与加工路径生成方法、面向NURBS刀具路径的刀位点生成算法等。
自由曲面数控加工刀具轨迹的规划与计算
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 ５ ＣＬ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 ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｊｕｌ．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。
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使用重切文件 因粗加工刀具产生的残料
粗加工刀具的直径 粗加工刀具的圆角半径 切削路径公差—值越小路径越精细，越大路径越粗糙， 但加工速度快 调整去残料的路径 按计算结果去除残料，不额外调整
小残料也要在本次加工中去除 允许留下少量残料（精加工时再去除）
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 7.2.7 Pocket(挖槽粗加工)
干涉检查：设置为S时需选取干涉曲面/实体， 设置为A时自动选取所有曲面/实体 作为干涉曲面/实体，设置为N时不 需选取干涉曲面/实体。
刀具切削边界：设置为N时不需选取边界范围， 设置为Y时需选取边界范围。
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 曲面粗加工菜单
平行铣削：沿着某一特定角度生成一组相互平行的 粗加工刀具路径。
放射状加工：生成放射状的粗加工刀具路径。 投影加工：将已有的刀具路径或几何图形投影到选
择的曲面上生成的粗加工刀具路径。 曲面流线：沿曲面的流线方向生成粗加工刀具路径； 等高外形：沿曲面的等高线（外形）生成粗加工刀
具路径。 残料加工：用于生成清除前面粗加工未切削或因刀具
直径较大而不能切削到的残留材料的粗加 工刀具路径。 挖槽加工：依据曲面形态沿Z方向下降生成的粗加工 刀具路径。 钻削式加工：切削所有位于曲面与凹槽边界材料生成 的粗加工刀具路径。
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 曲面精加工菜单
平行铣削：沿着某一特定角度生成一组相互平行的 精加工刀具路径。
陡斜面加工：生成用于清除曲面斜坡上残留材料的 精加工刀具路径。
放射状加工：生成放射状的精加工刀具路径。 投影加工：将已有的刀具路径或几何图形投影到选
择的曲面上生成的精加工刀具路径。 曲面流线加工：沿曲面的流线方向生成精加工刀具
通常能提供该种加工方式的CNC机床都有很好的稳定性 和机床整体刚性，使用的刀具也应有非常高的韧性、耐磨要 求和很高的硬度，一般使用球刀加工。
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 设置钻削式粗加工参数
源操作 最大Z轴方向进给量 下刀路径 由NCI文件确定 往复运动
最大切削间距（即水平方向进给量）
螺旋式下刀
第7章 曲面加工刀具路径
路径。 等高外形：沿曲面的等高线（外形）生成精加工刀
具路径。 浅平面加工：用于生成清除曲面浅平面部分残留材
从上节等高外形粗加工曲面的模拟结果可见，曲面上有部分残料未 清除，本节将采用残料清角加工清除上节等高外形加工后的残料。
设 置 残 料 加 工 参 数
各行刀具路径 间的距离
切削时的进/退 刀的引线长度
第7章 曲面加工刀具路径
设 置 残 料 参 数
由所有以前 操作产生 由某一另外 操作产生
第7章 曲面加工刀具路径 残料参数
仅在两曲面（实体表面）间走圆角 所有曲面边缘走圆角
锐角处公差（在曲面或实体面边缘） 按距离
按进给量的百分比
跳开对隐藏面的检测 检测局部凸起
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 7.2.2 Radial(放射状粗加工)
放射状曲面粗加工用于生成放射状粗加工刀具路径，常用于加工类 似于圆形的零件，其主要特点是中心对称。
第7章 曲面加工刀具路径
本章要点
曲面加工的公用参数设置 各种曲面粗加工方法的应用 各种曲面精加工方法的应用
第7章 曲面加工刀具路径
运用Mastercam软件的曲面加工系统可生成加工曲面、实 体或实体表面的刀具路径。实际加工中，多数零件需要通过 粗加工和精加工两步完成，Mastercam软件也相应地提供了8 种粗加工和10种精加工方法。
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 导动面选择菜单
添加：在原已选择的基础上增补曲面。
移除：将前面已选择的多个曲面中的某个（些）取消。 全部移除：将前面已选择的所有曲面全部取消。 显示：显示已选曲面。 完成。
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 7.2 Rough(曲面粗加工)
曲面粗加工的目的是尽可能快的将曲面工件从毛坯中分离出来，当 然应留有余量给精加工完成。
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 曲面加工的一般步骤
1、绘出曲面模型，由于曲面的边缘不能直接作为曲线使用，所以如有必要 需作出曲面曲线。
2、依次选取MAIN MENU → Toolpaths → Surface（回主功能表→刀具路 径→曲面加工）命令，打开图7-1所示曲面加工菜单。
3、设置曲面加工菜单的Drive（导动面）、CAD file（CAD文件）、Check （干涉检查）、Contain（刀具切削边界）等参数，所谓导动面就是执行 曲面加工的曲面,所谓干涉检查面就是不执行曲面加工的曲面,即通过设 定干涉检查曲面使该曲面避开加工。
▪ 7.3 Finish(曲面精加工) 曲面精加工的目的是为了精确地将三维模型的曲面形状
表现出来，尽可能地达到加工的最终要求，其走刀形式是在 三维曲面的表面作单层单次走刀。
曲面精加工是加工工艺中的最后一道工序，重点是为了 保证被加工工件的加工精度，尽可能地达到加工的最终要求。 为了保证加工表面的精度，精加工一般采用高速、小进给量 和小切削深度。
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 放射状粗加工参数对话框
放射状粗加工参数
最大角度增量 起始角度
起始补偿距离 扫掠角度
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 7.2.3 Project(投影粗加工)
曲面投影粗加工方法是将一个已存在的加工路径或几何图形投影刀 被加工曲面上生成心的加工路径。这种加工方法不改变原来的NC文件中 的刀具路径的XY坐标，而仅改变其Z坐标。
4、若粗加工，则选取Rough（粗加工）命令，打开曲面粗加工菜单，选择 需要的粗加工方法；若精加工，则选取Finish（精加工）命令，打开曲 面精加工菜单，选择需要的精加工方法。
5、根据系统提示设定加工的刀具参数以及与所选方法对应的专用参数。 6、如需要可设定边界轮廓。 7、执行加工刀具路径。
第7章 曲面加工刀具路径
设
置
挖
槽
参
进给量（按刀径百分比计）
数
进给量（按实际距离计）
粗切角度
优化刀具路径
由内向外环切
使用快速双向切削
精修切削范围之轮廓
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 7.2.8 Plunge(钻削式粗加工) 钻削式加工是类似于钻孔的一种加工方法，根据曲面外
形，在Z方向下降生成粗加工刀具路径，以快速去掉粗加工 余量。该种加工方式对机床要求极高，使用前应参考CNC机 床使用说明书，确保CNC机床能支持该种下刀方式。
第7章 曲面加工刀具路径
曲面投影粗加工参数对话框
投影类型 NCI文件
曲线 点
源操作
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 7.2.4 Flowline(曲面流线粗加工)
曲面流线粗加工用于沿着曲面流线的方向生成粗加工刀具路径。由 于曲面流线粗加工能精确控制残脊高度，因而可以得到精确的光滑的加 工表面。
第7章 曲面加工刀具路径
曲
切削方式控制
面
按距离
流 线
按总公差
粗 加
检查几何体流线运动
工
参
数
对
话
框
流线粗加工参数
截断方向控制
按距离
切削方式
按残留高度
仅为单行
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 流线加工菜单
流线加工： 改变下列哪个项目的方向： 刀具偏置方向：用于改变流线加工刀具半径的补偿方向，
可与曲面的法线方向相同或相反； 切削方向：用于改变流线加工加工刀具路径的切削方向，
曲面挖槽粗加工是依据曲面形态（凹形或凸形）在Z轴方向下降生 成粗加工刀具路径，主要用来对凹槽曲面进行加工，加工精度较低，如 果是加工凸形曲面，还必须先创建用于挖槽加工的边界。
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 设置粗加工参数
最大Z轴进给量
螺旋式下刀 指定下刀点
顺铣
逆铣
对齐下刀起点
由切削范围外下刀
第7章 曲面加工刀具路径
可为沿流线方向或垂直流线方向。 步进方向：用于改变每层刀具路径的移动方向，可从上
至下或从下至上。 起始位置：用于改变刀具路径起始点。
边界公差：用于设置边界公差值。 显示边界线：用不同的颜色显示不同的边界类型，当加工
由两个以上曲面组成的工件时，可清楚的看 到各曲面边界线。
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 7.2.5 Contour(等高外形粗加工)
封闭式轮廓之方向
开放式轮廓之方向
顺铣 起始长度
逆铣
单向 双向
两区段间的过渡方式
沿着曲面
高速 打断
斜插
允许圆弧超出设置的切削边界
定义下刀点 切削顺序优化
最小化 由下而上切削
回圈长度 螺旋下刀位置
斜插长度 浅平面加工
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 螺旋下刀设置对话框
螺旋半径 螺旋深度 进刀角度 输出圆弧刀具路径
在图上选取
干涉曲面/实体
干涉面预留量
在图上选取 刀具切削边界 刀具补偿 刀具可出边界
在图上选取
刀具在边界内
刀具附加偏移量
刀具中心在边界上
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 进/退刀方向设置对话框 按选定直线方向
下刀方向 矢量方向 下刀角度 与XY平面夹角
度
与XY平面夹角 返回长度
7.1 曲面加工的公用参数设置
▪ 曲面加工菜单
粗加工：选取该命令将弹出曲面粗加工菜单。 精加工：选取该命令将弹出曲面精加工菜单。
导动面：设置为S时需选取加工曲面/实体， 设置为A时自动选取所有曲面/实体 作为加工曲面/实体，设置为N时不 需选取加工曲面/实体。
CAD文件：设置为N时需指定定义加工曲面的 CAD文件，设置为Y时不需指定。
第7章 曲面加工刀具路径
▪ 7.2.1 Parallel(平行铣削粗加工)