五轴数控加工的刀具路径规划与动力学仿真
正交型五轴虚拟机床NC刀具路径仿真加工研究吴陈燕
煤矿机械Coal Mine MachineryVol.34No.01Jan.2013第34卷第01期2013年01月［］，，1五轴机床的分类所谓的五轴机床是指在X 、Y 、Z 正交的三轴驱动系统内，另外加装倾斜与旋转的2个旋转轴系统，而其中X 、Y 、Z 轴决定刀具的位置，另外2个旋转轴决定刀具的方向。
一般五轴机床的类型可分为三大类：（1）2个旋转轴都带动机床主轴的旋转，此类型称为主轴倾斜型，而此类型的五轴机床因为它的2个旋转轴都在主轴头上，床台载重能力较佳，所以大多使用于加工大型工件的场合；（2）2个旋转轴都带动机床工作台旋转，此类型称为工作台倾斜型，此类型的五轴机床的工件是放置在回转倾斜的工作台上的，适用于小型而复杂的曲面加工，而且其主轴刚性高，故可应用于重切削；（3）一个旋转轴带动主轴旋转，另一个旋转轴带动工作台旋转，此类型称为工作台主轴倾斜型。
不同的机型构造适合于不同的时机、场所，所以在选择五轴机床时，需视使用的工作需求来选择最适合的五轴机床。
2基于VERICUT 软件的虚拟机床创建本文以瑞士GF 阿奇夏米尔机床厂生产的Mikron Ucp800机床为例来介绍基于VERICUT 软件的虚拟机床的创建方法。
2.1建立或导入机床模型在VERICUT 系统要取得机床模型的资料有2种方式：（1）由VERICUT 系统本身建立机床模型，但构建模型相对简单，不能满足机床的装配要求或者影响机床的视觉效果，可在要求不高时使用；（2）由外部系统（比如UG 、Creo 、Caxa ）产生机床模型，用此种方式可建立任意复杂的机床模型，但要求在CAD 软件建模时设置好坐标系。
正交型五轴虚拟机床NC 刀具路径仿真加工研究*吴陈燕（台州职业技术学院，浙江台州318000）摘要：利用Creo 设计出五轴虚拟数控机床模型，用Creo 设计工件模型及五轴加工NC 代码，然后由VERICUT NC 切削加工模拟软件整合前两者的资料，即可开始进行五轴切削仿真验证，监控数控机床加工中可能的超程、过切、干涉等潜在问题，消除程序中的错误，从而在VERICUT7.14环境下，实现了Mikron_ucp800五轴虚拟数控机床仿真加工多面体零件的全过程。
立体模型的五轴联动编程与仿真设计
立体模型的五轴联动编程与仿真设计宗宇鹏;吴玉厚【摘要】通过对异型石材制品—佛像的逆向工程技术进行建模,根据其表面的结构特点,利用UG/CAM模块进行五轴加工数控程序编制,然后对生成的刀位文件进行后置处理,根据处理结果形成数控机床所识别的数控代码,最后利用VERICUT软件对佛像进行虚拟加工仿真,并对加工过程的刀路进行优化研究.【期刊名称】《沈阳工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(011)003【总页数】4页(P274-277)【关键词】数控;UG;仿真;优化【作者】宗宇鹏;吴玉厚【作者单位】沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168【正文语种】中文【中图分类】TG659随着制造业的快速发展，对数字化制造技术提出的要求也越来越高。
在三轴加工技术中，由于刀轴不能摆动，在曲率较小的区域内刀刃不能接触，会导致曲面各部位加工质量差异较大。
若采用四轴加工技术，虽然在规划刀具轨迹时，可以使刀轴摆动或旋转，但需要多次装夹刀具，使工序变得更复杂。
因此，为获得高效精确的刀具运动轨迹，故采用五轴联动加工技术。
1.1 刀轴方向控制佛像模型外形特征主要由2部分组成：上半部分为佛像主体，主要由凹凸不平的曲面组成；下半部分则是规则的圆柱形底座，如图1所示。
若采取三轴加工技术，刀具一次装夹只能加工面对刀轴的曲面，多次装夹后会引起定位误差，使加工精度下降。
在采用五轴加工编程时，既要兼顾曲面加工的精度与效率，又要避免欠切、干涉等问题，因此常采用刀轴倾斜的方法进行编程。
在刀具与加工表面所形成的坐标系O-XYZ中，X轴为曲面切点处沿刀具进给方向上的切矢，Z轴为切点处曲面法矢，γ为侧倾角(平行于进给方向与刀轴间的夹角，可防止刀杆与间断进给方向上未加工面的干涉)，K为前倾角(垂直于进给方向平面与刀轴矢量间的夹角，可防止铣削凹面时的干涉情况)，如图2所示。
1.2 切削参数的计算其中，fz为每齿进给速度；z为铣刀刃数；L为行距；h为残余高度；Rc为刀具有效切削半径；Rb为曲面局部曲率半径；当遇到凹曲面时，Sgn(O×N)=0；当遇到凸曲面时，Sgn(O×N)=1；Vc为切削速度；D1为铣刀直径；n为主轴转速。
薄壁曲面零件五轴侧铣加工过程几何-力学仿真及变形误差刀路补偿
论文名称：薄壁曲面零件五轴侧铣加工过程几何-力学仿真及变形误差 刀路补偿
论文作者：上海交通大学 / 李洲龙 指导教师：朱利民《研究领域：数控加工技术与装备、机器人化智能制造装备》
（2）提出了一种精确高效判定五轴加工中刀具工件啮合区域的弧面求交法。基于刀具运动信息提取 了刀具轴向离散可行接触圆弧集，应用弧面相交法及
距离场法精确提取了啮合圆弧段，进而轴向插值判定 刀具-工件啮合区域。该方法降低了计算何 建模法计算精度低的问题。
（3）提出了一种综合考虑刀具跳动影响和底刃 切削效应的五轴铣削力预报方法。建立了适用于变进 给、曲线路径以及刀具跳动影响下的五轴加工瞬时切 厚计算模型，解决了基于经典简化模型和基于次摆线 轨迹模型在切厚计算中难以兼顾计算效率和精度的问 题。发展了考虑底刃切削效应的平底刀切削力预报模 型及实验标定方法，解决了现有模型在五轴负倾角加 工工况下切削力预报失准的难题。
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（1）提出了考虑刀具跳动的五轴侧铣包络面建 模与刀路优化新方法。推导了刀齿在刀具跳动影响下 的回转面及扫掠包络面表达式，并依据加工表面成形 原理拼接最外层刀齿包络面为刀具有效包络面。将考 虑跳动的侧铣刀路优化问题归结为刀具有效包络面向 设计曲面的最佳一致逼近问题，通过微量调整刀轴轨 迹实现了刀具路径几何精度的大幅提升。
（4）提出了适用于复杂薄壁零件五轴侧铣工况 的加工变形预报与刀路补偿技术。建立无需网格重划 的工件刚度修正模型，提出了切削力-变形耦合迭代 式，探明了五轴侧铣变形映射原理，实现了薄壁曲 面侧铣加工变形的准确预报。在此基础上，建立了变 形误差关于刀轴面调整的微分关系，通过刀路优化实 现了融合变形的加工成形面向设计曲面的最佳一致逼 近，显著提升了薄壁曲面零件的加工精度。
五轴数控加工的刀具路径规划与动力学仿真
2010年 第55卷 第25期：2510 ~ 2519 英文版见: Ding H, Bi Q Z, Zhu L M, et al. Tool path generation and simulation of dynamic cutting process for five-axis NC machining. Chinese Sci Bull, 2010, 55,doi: 10.1007/s11434-010-3247-8评 述《中国科学》杂志社SCIENCE CHINA PRESS五轴数控加工的刀具路径规划与动力学仿真丁汉①, 毕庆贞②, 朱利民②, 熊有伦①① 华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室, 武汉 430074; ② 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室, 上海 200030 E-mail: dinghan@ 2009-10-09收稿, 2009-12-29接受国家重点基础研究发展计划(2005CB724103)和国家自然科学基金重点项目(50835004)资助摘要 五轴数控加工是航空、航天、能源和国防等领域中高效加工复杂零件的有效手段, 是提升我国制造水平的技术突破口. 从五轴数控加工的优势出发, 描述在刀具路径规划、几何-力学集成仿真和动力学仿真三个方面的关键问题, 重点介绍基于可达性的刀轴方向优化、三阶点接触和线接触成形刀位规划、刀具包络面解析法求解和加工过程稳定性分析等方面的最近研究进展, 分析存在的问题, 并展望未来的发展趋势.关键词五轴数控 刀具路径几何-力学集成仿真 动力学仿真传统的三轴数控加工通过控制刀具平动来完成零件的加工, 五轴数控机床是由三轴机床增加两个旋转自由度构成, 利用这两个旋转轴, 五轴数控机床可以使刀具处于工作空间内的任意方向. 五轴数控加工的优势主要通过控制刀轴方向实现, 具体体现在: (1) 改变刀轴方向可以避免刀具和零件干涉, 实现整体叶轮和螺旋桨等复杂曲面零件的加工; (2) 通过调整刀轴方向能够更好地匹配刀具几何与工件曲面, 增加有效切宽, 实现大型敞口类曲面零件的高效加工; (3) 控制刀轴方向可以改善加工条件, 如在加工叶轮根部等曲率较大的区域时, 只能用刚度较低的小半径刀具, 选择合理的刀轴方向, 可以缩短刀具悬伸量, 控制刀轴方向还可以控制刀具参与切削的区域, 降低切削力和减少刀具磨损, 提高加工表面质量.五轴数控加工具有上述优势的同时也带来了新的挑战, 由于旋转运动的引入, 刀轴姿态更加灵活, 在机床坐标系下难以直观想象出刀具相对于工件的运动, 增加了刀具路径规划的难度, 而且刀具上各点的进给速度并不相同, 加工条件瞬时变化, 使切削力预测和动力学问题更加复杂. 目前的研究工作主要体现在3个方面[1]: 刀具路径规划、加工过程的几何-力学集成仿真和动力学仿真, 如图1所示. 刀具路径规划是根据零件模型、加工方案和误差要求生成刀具相对于工件运动轨迹的过程, 生成的刀具路径对加工质量和加工效率有决定性的作用, 是加工过程几何-力学集成仿真的基础. 几何-力学集成仿真中的几何是指材料去除过程中刀具与工件之间的切削几何,集成仿真是指集成切削几何和切削力模型来预测加工过程中的动态切削力, 是基于切削力规划进给率、预测和补偿刀具与工件变形等工作的基础, 也可以为动力学仿真提供力学信息. 动力学仿真是在切削力、机床-刀具-工件系统动力学特性基础上预测加工过程稳定性和工件表面形貌的过程, 是根据加工过程的动态特性优化工艺参数和刀具路径的基础.图1 五轴数控加工工艺的关键问题国内外对五轴数控加工进行了大量的理论和应用研究, 目前已有通用CAM软件(如UG和Catia)、专用CAM软件(如加工叶轮的Max和加工叶片的TurboSoft)和动力学仿真软件(如CutterPro). 欧盟在2001年开展了“Flamingo (flank milling optimization)”项目, 联合了SNECMA, Rolls Royce, Dassault Systè- mes等著名公司和高校研究了高效侧铣加工方法. 美国联合技术公司、普惠(Pratt & Whitney)公司和Concepts NREC公司一直在研究五轴高效精密加工技术. 国内也开发了如开目、5BDM和DynaCut等软件, 但在理论研究和应用方面尚处于起步阶段.目前的商业软件在刀具路径规划和仿真方面提供了丰富的策略, 但在智能性、工艺性和计算效率等方面还不完善, 如刀轴方向控制策略主要依靠编程人员的输入, 难以做到自动优化刀轴方向来同时满足干涉避免、宽行加工、刀具路径整体光顺和缩短刀具长度等需求; 在动力学仿真方面主要针对三轴数控加工, 亟需针对五轴高速加工的切削力和切削过程动力学建模与仿真.1 刀具路径规划刀具路径规划是数控编程的核心技术, 在复杂曲面五轴高效加工的刀具路径规划中, 最大的难点是除满足几何约束外, 还需要考虑加工过程中的动态特性和物理因素, 尤其对于难加工材料的工件, 动态特性和物理因素很大程度上决定了加工效率和加工质量, 是在刀具路径规划阶段必须考虑的. 规划刀具路径时, 需要在保证无干涉前提下, 通过调整刀轴方向来扩大刀具有效切削面积、改善工艺条件.1.1 干涉避免干涉避免是加工复杂曲面零件时需要首先考虑的几何约束, 目前的无干涉刀位规划方法可以分为先生成后检测的规划方法和基于可达性的规划方法. 先生成后检测是指先生成刀具路径然后检测干涉, 通过调整刀轴方向来避免干涉, 如图2所示; 而基于可达性的刀具路径规划方法是直接在可达空间中生成无干涉刀具路径, 如图3所示.先生成后检测方法的工作集中在干涉检查和刀轴方向调整两方面. 数控程序中刀位点一般有几万行甚至十几万行, 干涉检查往往花费大量的计算时间和资源,因此研究重点在提高全局干涉检查的效图2 先生成后调整的干涉避免方法[2](a) 干涉发生; (b)调整刀轴方向图3 基于可达性的干涉避免方法(a) 可达方向锥; (b) 无干涉刀具路径率方面[2,3]. 在加工复杂零件时, 先产生后检测方法往往需要反复的检查干涉和调整刀轴方向, 在这个过程中主要考虑几何约束, 难以根据工艺需求优化刀轴方向.基于可达性的规划方法首先在离散的刀触点处计算出刀具的可达方向锥, 然后在可达方向中规划刀具路径, 这种方法的优点是可以直接判断零件的可加工性, 减少甚至可以避免对刀具路径进行反复的调整和检测, 因此能够在刀具无干涉空间中优化刀具路径, 例如可以根据机床运动学性能优化刀轴方向, 克服在优化刀轴方向时难以避免全局干涉的难题. 但在加工复杂零件时, 障碍物模型往往由十几万甚至几十万个多边形组成, 计算可达刀轴方向往往需要庞大的计算资源和时间, 所以研究的重点集中在如何快速计算刀具可达方向锥方面, 主要有C(configuration space)空间法[4,5]和可视锥法[6~10]. C-空间法的关键是如何将障碍物表面快速映射到C-空间, 计算效率是该类算法的主要问题. Wang等人[5]的计算结果表明, 当障碍物模型包含10000个三角形时,即使不考虑刀柄的干涉检查, 计算可达方向锥的时25112010年9月 第55卷 第25期2512间会达到1190.33 min. 为了提高计算效率, 先忽略刀具半径, 把刀具抽象为一根从刀位点出发的射线, 可达性问题就转化为可视性问题. 本文作者[6~8]用C-空间方法描述了刀具的可视锥, 利用图形学中的消隐算法提出了3种提高可视锥计算速度的策略, 并提出了基于可视锥的曲面可制造性分析方法. 但可视性没有考虑刀具和刀柄的半径, 仅仅是刀具无干涉的必要条件, 因此需要耗时的后处理来进行精确的干涉检查[9]. 如果将加工曲面和干涉检查面做等距偏置, 球头刀的可达性问题可以等效为可视性问题[10], 但是引出的等距面计算是一项复杂的任务, 而且该方法仍然无法准确考虑刀柄的半径, 只适用于球头刀, 因此很难有通用性. 本文作者[11,12]推广了传统可视锥的概念, 提出了高效计算刀具全局可达方向锥的方法, 具有近似线性的时间复杂度. 对于工业中常用的平底铣刀和圆环铣刀, 根据刀触点、曲面外法线方向和刀轴方向一般能够确定唯一的刀位点, 当沿刀轴方向的反方向观察刀位点时, 刀具的全局可达问题可以等价为一组圆盘面和圆锥面的完全可视问题, 利用图形显卡(GPU)中的遮挡查询功能可以快速检测该圆盘和圆锥面的完全可视性, 进而判断刀具的完全可达性. 表1对比了3种算法的计算时间, 可以发现, 当输入障碍物模型的三角形数和刀轴方向数都是文献[9]中的10多倍时, 基于GPU 算法的计算时间仅为文献[9]中算法的2%, 单个刀位的平均计算时间小于文献[9]中算法的2‰. 即使输入三角形个数大于文献[3]的10倍, 基于GPU 算法的单个刀位平均检测时间小于文献[3]中算法的3%.1.2 加工效率五轴数控加工至今仍广泛采用球头刀, 球头刀加工刀位规划简单, 但效率比较低, 而非球头刀通过调整其位置和姿态, 可以使刀触点轨迹线附近带状区域内的刀具包络曲面充分逼近理论设计曲面, 从而显著提高给定精度下的加工带宽, 在加工平坦、敞口类曲面时能充分发挥五轴联动机床的潜力, 成为近些年来研究的热点. 研究工作主要集中在平底刀和圆环刀的端铣加工, 以及圆柱刀和圆锥刀的侧铣加工. 端铣加工中依靠点接触成形, 通过增大刀具的有效切削面积可以获得高材料去除率, 提高加工效率, 而侧铣加工中使用线接触成形, 直接实现宽行加工.五轴数控加工的成形原理为单参数面族包络原理, 真实的加工误差为刀具包络面相对于工件曲面的法向误差. 由于只有在所有刀位都确定之后才能计算刀具包络面[13,14], 因此如何在单个刀位规划的时候考虑刀具包络面与工件曲面之间的偏差是个非常关键的问题, 它直接关系到刀位计算的精度. 由于操作上的难度及复杂性, 多数文献都采用了近似的简化处理[15], 将刀位规划转化为单个刀位下, 刀具曲面与工件曲面间的优化逼近问题, 给出的各种刀位优化模型并不能真实地反映实际加工过程, 并且现有的方法仅仅适合某种曲面或某种刀具的刀位计算, 在通用性、可操作性、稳定性或加工精度方面还有许多需要改进的地方.针对端铣加工, 王小椿等人[15~17]相继从刀具包络面与设计曲面在刀触点处高阶切触的角度研究了刀位规划问题. 王小椿等人[15]提出了中凹盘形铣刀的密切曲率法, 在垂直于进给方向的法截面中, 由刀尖轨迹圆形成的包络面与理论曲面的法截线具有相同的1~3阶导数, 从而在保持精度的情况下, 加大了每次走刀的加工带宽. Rao 等人[16]通过讨论设计曲面与刀具包络面的曲率匹配, 给出了消除平底刀五轴加工自由曲面的局部干涉的方法. 上述两种方法均是基于刀具包络面的局部近似模型进行刀位优化, 但仅适用于盘形铣刀或平头刀, 而不能扩展到其他类型的刀具. Gong 等人[17]建立了描述刀具曲面、刀具包络面和设计曲面之间关系的模型, 提出了带状密切意义下刀具包络面逼近设计曲面的原理与方法. 该方法适用于一般的回转刀具, 但它是建立在刀具包络面的二阶局部重建的基础上的, 仅能做到刀具包络面与工件曲面的二阶切触. 对于五轴加工而言, 理表1 可达空间计算时间的对比输入模型 方法计算平台三角形刀位点 刀轴方向计算时间单个刀位的平均计算时间 Sarma 等人[9]SGI 工作站, Dual CPU 250M 10665 1500 80 51.63 min 2.58×10−2 s Elber 等人[3] CPU 2.4G, RAM 512M12600 50000 1 61.61 s 1.23×10−3 s 本文作者的方法[12]CPU2.4G, RAM 512M 1397542000 1026 60.53 s 2.95×10−5 s论上可以实现两者的三阶切触, 因此二阶模型未能充分发挥五轴联动加工的潜力. 这些方法的理论模型也互不兼容, 并且均是将切触条件转化为等式方程, 然后严格计算出满足切触条件的刀位. 但在实际应用中, 由于刀具和设计曲面的复杂性, 以及无干涉约束、机床工作空间约束以及刀具路径光顺性约束的存在, 往往无法实现精确的高阶切触加工. 本文作者[18,19]研究了两线接触曲面间的几何学特性, 刀具包络面的基本条件是沿特征线和刀触点轨迹线分别与刀具曲面和设计曲面线接触, 提出了回转刀具扫掠包络面的局部重建原理. 建立了由单个刀位重建刀具包络面局部三阶近似曲面的数学模型, 刻画了刀具曲面、刀具包络面与设计曲面在刀触点邻域内的三阶微分关系, 在此基础上提出了非球头刀宽行五轴数控加工自由曲面的刀位规划新方法——三阶切触法. 该方法通过优化刀具的前倾角和侧倾角使得在刀触点处刀具包络曲面与设计曲面达到三阶切触, 适用于任意回转面刀具、任意设计曲面及各种加工方式, 并且可以自然地处理各种几何学和运动学约束. 采用环心圆半径为10 mm, 母圆半径为2.5 mm的圆环刀加工某螺旋面, 在某一刀触点处限定加工误差δ为0.005, 0.01 mm时, 3种刀位(球头刀一阶切触、圆环刀二阶、三阶切触)的加工带宽如表2所示, 可以看出三阶切触加工实现了刀具包络曲面与设计曲面的局部最佳逼近, 即使与二阶切触加工相比也显著提高了加工效率.针对侧铣加工, Lartigue等人[20]首次从控制整体误差入手研究了刀位优化问题, 通过调整轴迹面使得刀具包络面在最小二乘意义下逼近设计曲面, 但他们所采用的误差度量经过了一定的简化. 针对柱刀加工, Gong等人[21]应用等距包容原理将该问题转化为轴迹面向设计曲面的等距面的最小二乘逼近问题. 这种方法不拘泥于局部误差的大小, 而是着眼于控制刀具面族包络在整体上向设计曲面的逼近误差, 因此被称为整体优化方法. 虽然最小二乘曲面拟合可以直接沿用曲面反求的有关理论和方法, 从计算的角度来说更容易实现, 但是不符合ISO和ANSI标准推荐的轮廓度误差评定准则, 而且这两种方法不能处理无过切约束, 不适用于半精加工规划. 此外, 包络面与设计曲面间的法向误差的解析描述以及轴迹面形状改变对法向误差的影响等基础问题也没有很好地解决. 本文作者[22,23]将柱刀侧铣加工刀具路表2 加工带宽比较加工误差δ/mm球头刀(R=5.5 mm)环刀二阶密切环刀三阶密切0.005 0.69 2.48 5.280.01 0.98 3.12 6.14径整体优化问题归结为刀具包络面向设计曲面的最佳一致逼近问题, 定义了点-轴迹面法向误差函数,并推导出其关于轴迹面形状控制参数的一阶梯度和二阶海色矩阵表达式, 在此基础上构造了高效的离散点云轴迹面逼近算法, 应用于非可展直纹面的侧铣加工, 几何精度比国际上现有的方法提高了30%以上, 并且可以自然地处理无过切约束, 对比结果如表3所示. 这一方法利用了柱刀包络面与其轴迹面互为等距面这一几何性质, 因此无法推广应用于锥刀的情形. 在某些应用场合下, 锥刀可在保证刚性的前提下实现端部的小半径切削, 从而避免刀具端部与工件的干涉以及小半径柱刀刚性不足的困难, 因此关于锥刀侧铣加工的刀位优化方法近年来引起重视.本文作者[24,25]基于刀具包络面的双参数球族包络表示, 提出了无须构造包络面而直接计算其与设计曲面间法向误差的方法, 并推导出法向误差关于刀轴轨迹面形状控制参数的一阶梯度表达式, 揭示了刀位微小调整对设计曲面和刀具包络面间整体逼近误差的影响规律, 在此基础上构造了基于导数信息的刀具包络面向设计曲面的离散点云的最佳一致逼近算法, 实现了圆锥刀五轴侧铣加工刀具路径的整体优化. 有关理论和方法同样也适用于一般回转刀具的侧铣加工规划. 以圆锥刀侧铣加工某叶轮叶片为例, 叶片直纹面的两条边界曲线均为3次B样条曲线,圆锥刀的底面圆半径为6.25 mm, 高度为30 mm, 半锥角为10°. 在待加工直纹面上均匀选取50×100个离散点. 由Chiou的方法[26]生成初始轴迹面, 此时刀具包络面与设计曲面间的最大过切量为0.0896 mm, 最大欠切量为0.0239 mm, 对轴迹面进行优化后, 最大过切量和欠切量分别减小到0.0062和0.0061 mm, 可以看出刀具路径整体优化显著提高了零件的几何精度.表3 几种不同方法结果的比较a)RRD[27]MBM[28]Gong等人[21]本文作者的方法[22]最大欠切量/mm 0.220 0.264 0.093(0.228) 0.068(0.228)最大过切量/mm 0.220 0.211 0.119(0.172) 0.067(0.172)a) 括号中的为优化前的结果25132010年9月 第55卷 第25期25141.3 工艺条件改善高速加工对刀具轨迹的光顺性和加工系统的整体刚度提出了更高的要求. 刀轴方向光顺性和刀具长度影响五轴数控加工过程的动态特性; 不同刀轴方向也会改变有效切削速度等切削参数, 影响切削力等物理因素. 在刀具路径规划中需要综合这些因素, 改善工艺条件.(ⅰ) 刀轴方向光顺. 刀轴方向的光顺性对运动学非线性误差、加工效率、进给运动平稳性和切削条件[29,30]都有直接的影响, 因此刀轴方向的光顺性是评价刀具路径的一个重要指标. 刀轴方向光顺性的度量可以在机床坐标系中、工件坐标系中或者进给坐标系中定义, 分别对应机床旋转轴的运动、刀轴方向相对于工件的变化和切削条件的变化.现有研究中大多考虑机床坐标系下的度量, Ker- sting 等人[31]研究了在自由C-空间中根据机床坐标系下的度量光顺刀轴方向的方法. Castagnetti 等人[29]以旋转轴进给运动的平稳性和加工效率为目标定义了机床坐标系下的度量, 证明优化刀轴方向后可以明显缩短加工时间. 本文作者[11,12]研究了在刀轴可行空间中整体光顺刀轴方向的算法, 该算法考虑了相邻刀位之间的角速度约束, 把刀轴方向整体光顺问题定义为离散域的约束最优化问题, 用有向图的最短路径算法求解该优化问题获得了整体光顺的刀具路径.根据工件坐标系下的度量光顺刀轴方向的方法主要集中在NURBS 刀具路径规划方面, Dassault 公司[32]研究了用双样条曲线描述五轴加工刀具路径的方式, 通过插值获得光滑的刀轴方向. Siemens 的840D 数控系统推出了支持等距双NURBS 刀具路径的接口, 刀轴方向为球面上的有理样条曲线, 保证了刀轴方向的光滑. 本文作者1)[33]提出了生成等距双NURBS 刀具路径的方法, 基于“点-线”运动学, 引入对偶四元数超平面描述刀具位形空间, 将“离散刀位→ 连续刀具路径”生成问题转化为对偶四元数空间中的平面插值型曲线设计问题, 采用B 样条曲线设计出有理运动表达形式的刀具路径, 可方便地转化为固定间距双NURBS 曲线的表达形式.进给坐标系下的度量反映了切削条件的变化, 根据进给坐标系下的度量光顺刀轴方向有助于实现切削力平滑. Ozturk 等人[34]针对球头铣刀加工分析了刀轴方向与切削力的关系, 证明刀轴方向对球头铣刀的加工质量有明显影响. 本文作者[30,35]提出了在刀触点网格上整体光顺刀轴方向的算法, 该算法综合考虑了工件坐标系下、机床坐标系下和进给坐标系下的三种度量, 可以同时保证沿进给方向和相邻行方向上刀轴方向的整体光顺性, 而且只需要计算刀触点网格上的刀具可达方向锥, 具有较高的计算效率, 仿真表明, 整体优化刀轴方向可以提高加工效率, 使机床进给运动更加平稳, 有利于实现加工过程中切削力的平滑.(ⅱ) 缩短刀具长度. 可以用更短的刀具加工复杂零件是五轴数控加工的一个重要优势, 缩短刀具悬伸长度可以提高整个加工系统的刚度. 刀具最短安全长度一般在数控程序仿真阶段计算, 如数控仿真软件Vericut 在6.2版本中提供了计算安全最短刀具长度的功能. 在仿真过程中计算安全最短刀具长度需要首先规划出刀具路径, 只能针对已有刀具路径计算安全的刀具悬伸量, 然而在加工复杂零件时,安全最短的刀具长度往往由刀轴方向决定, 因此应该在刀具路径规划阶段考虑刀具的安全最短长度.如何在规划五轴数控加工刀具路径时考虑安全最短刀具长度, 在现有研究中考虑较少. Morimoto 等人[10]针对球头铣刀的固定角度加工提出了调整刀轴方向来缩短刀具长度的算法, 该方法需要首先求被加工曲面和干涉检查曲面的等距偏置面, 而且在计算安全刀具长度时过于保守. 本文作者[36]在基于GPU 检测刀具可达性的基础上, 提出了计算可达方向上安全最短刀具长度的方法, 为3+2数控加工提供了高效的刀具安全长度规划方法. 在此基础上, 进一步探索了以刀具长度最短为目标的五轴联动数控加工刀具路径规划算法[37,38], 以刀具路径的无干涉和相邻刀位之间刀轴方向的光顺性作为约束, 把刀具长度优化问题转化为约束组合优化问题, 并给出了有效的求解方法.2 几何-力学集成仿真动态切削力仿真是物理仿真的基础, 在进给速1) Zhang X M, Zhu L M, Ding H, et al. Kinematic generation of ruled surface based on rational motion of line and point-line. Comput Aided Geom D, (Submitted)度、主轴转速等切削参数优化, 切削颤振预报, 加工过程自适应控制, 刀具磨损和破损监测, 加工表面形貌预测, 加工误差分析与补偿中有着广泛的应用. 几何-力学集成仿真是根据材料去除过程中的瞬时切削条件来预测动态切削力, 包含切削力系数和瞬时切削几何两方面的工作, 其中切削力系数一般采用实验标定的方法求得[39,40], 因此主要工作为刀具扫描体和刀具-工件切削几何建模.2.1 几何仿真与切削力预测的集成刀具扫掠体建模的关键是求解其包络面. 对于五轴运动下的刀具扫掠体包络面的建模, 目前常用的方法是数值法[41], 包括Jacobian秩亏损方法、扫掠微分方程方法、隐式建模方法及Minkowski和方法, 这些方法需要数值求解高阶常微分方程或超越方程, 计算量很大. Chiou等人[42]推导了环刀和由上、下锥面和中间环面组成的APT刀具在五轴线性插补运动下的瞬时特征线的求解公式. Du和Ye等人[43,44]通过引入瞬时标架和刚体速度表示简化了Chiou的结果. 之后, Chiou等[45]通过引入刀触点处的瞬时标架得到了APT刀具在一般空间刚体运动下的瞬时特征线的求解公式. 上述方法需要逐点计算包络面上的点, 解的判别过程比较复杂. 本文作者[13,14]提出了两种回转刀具切削刃扫描面的解析表达方法: (1) 将锥刀、鼓刀和环刀的切削刃回转面表示为单参数可变半径球族的包络面, 利用双参数球族包络理论推导出了这3种刀具在一般空间运动下的扫掠体包络面及其单位外法矢的解析表达式; (2) 应用包络条件和刚体运动的速度表示方法推导出任意回转刀具在一般空间运动下扫掠包络面特征线的解析表达式, 在方法上具有无须引入附加瞬时标架、公式简洁明了的优点.刀具-工件的切削几何是五轴加工铣削力仿真的基础. 目前常用的切削几何建模方法主要分为实体建模法、解析模型法和离散几何建模法3类: (1) 实体建模法, Altintas等人[46]采用ACIS实体建模工具确定五轴侧铣加工圆锥铣刀与工件的瞬时啮合状态和切厚; (2) 解析模型法, Elbestaw等人[47,48]将刀刃曲线表示为NURBS曲线, 通过计算该曲线与工件几何的相交确定瞬时参与切削的刀刃微元与瞬时切厚; (3) 离散几何建模法, Jerard等[40]使用扩展的Z-buffer方法表示工件几何, 通过刀具扫描体与Z-buffer单元的相交关系计算瞬时啮合区域与瞬时切厚. 2.2 切削力约束下的进给率规划在五轴铣削过程几何-力学集成仿真的基础上,可以根据切削力优化进给率. 目前商用CAM软件的进给率优化算法均基于体积分析(也称为材料去除率). 在这种传统的方法中, 通常把进给率设置为反比于瞬时材料去除率或者与材料去除率成指数函数关系. 该方法的两个主要缺点是: (1) 瞬时材料去除率虽然从一定程度上可以反映切削力的大小, 但不能反映切削力的方向, 故基于材料去除率的进给率优化不能反映切削力的本质; (2) 由这种方法规划出的进给率所产生的切削力的大小难以保持恒定. 针对基于材料去除率规划进给率的缺点, Bailey等人[47,48]提出了基于切削力模型的五轴加工进给率规划方法.Erdim等人[49]对基于切削力模型的与基于材料去除率模型的两种进给率优化策略做了详细比较研究.本文作者[50]提出了切削力约束的五轴数控侧铣加工进给率离线规划方法: 基于机床各轴立方样条多项式插补格式, 建立以各轴相邻位置点之间的时间序列为设计变量, 以各轴相邻位置点之间的运行时间序列之和极小为目标函数, 以各轴的速度、加速度、跃度极限为约束, 同时以刀具切削过程中的最大切削力小于阀域值为约束的优化模型, 并以全局最优算法求解获取最优进给率. 该方法适用于自由曲面粗加工及直纹面或类直纹面曲面半精加工.3 加工过程动力学仿真五轴铣削过程动力学仿真是为加工过程工艺优化提供过程状态变量的时间历程数据, 核心工作包括动力学建模、加工过程稳定性分析和工艺参数优化.3.1 动力学建模刀具-工件系统结构动力学模型分为: (1) 刀具-工件耦合振动模型, 对于薄板类零件加工, Ratchev的研究小组[51]提出了基于FEM的薄板-刀具耦合振动模型; Kovecses等人[52]提出了基于解析法建模的薄板类零件铣削振动模型. 然而, 对于薄壳类零件铣削加工,工件振动模型、刀具-工件耦合振动模型极少见诸国际期刊. (2) 工件-夹具接触动力学建模, Hu等人[53]在柔性多体动力学框架下, 使用集总参数模型分析了夹具的动态稳定性; Kapoor等人[54]研究了夹具-工件动态摩擦接触模型, 并分析了该动态效应对加工性能的影响; Rong等人[55]在FEM的框架下, 建立了夹具-工2515。
NURBS曲面五轴加工刀具路径规划技术研究
ａ ｎ ｄ ｗｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｙ ． Ｋｅ ｙ Ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ＮＵＲＢＳ Ｔｏ ｏ ｌ Ｐ ａ ｔ ｈ Ｐ ｌ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ ５ － Ａｘ ｉ ｓ Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ Ｉ ｓ ｏ ｐ ｈ ｏ ｔ ｅ
沈 阳 １ １ ０ ８ １ ９
沈 阳 １ １ ０ １ ５ ９
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 ： Ｎ Ｕ Ｒ Ｂ Ｓ 刀 具 路径 规 划 五 轴 加 工
等照 度 线
中图分类号 ： Ｔ Ｈ１ ６ ２ ； Ｔ Ｐ ２ ７ ３
文献标识ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ０ — ４ ９ ９ ８ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ２ — ０ ０ ０ ５ — ０ ５
核电封头五轴数控加工刀具路径规划研究
基于曲面分片的五轴刀具轨迹规划
（ Ｆ ａ ｃ ｕ ｌ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｇ ｕ ａ ｎ ｇ ｄ ｏ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，
ｎ ｉ ｎ ｇ ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ｅ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ａ ｌ ｇ ｏ ｉ ｒ ｔ ｈ ｍ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：Ｆ ｉ ｖ ｅ — ａ ｘ ｉ ｓ ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ；Ｐ ｉ ｒ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ａ ｃ ｕ ｖａ ｒ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ；Ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｓ ｕ ｂ ｄ ｉ ｖ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ；Ｔ ｏ ｏ ｌ ｐ ａ ｔ ｈ ｐ ｌ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ
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Ｎ Ｕ Ｒ Ｂ Ｓ方法具有众 多 的优点 ，国际标准化 组织将
ｐ ａ ｔ ｃ ｈ ｅ ｓ ｏ ｆ ｒ ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ（ Ｎ Ｃ ）ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ．Ｅ ｘ ｐ ｅ ｉ ｒ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｐ ａ ｔ ｈ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ －
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。
空间曲面电火花线切割五轴加工的仿真
空间曲面电火花线切割五轴加工的仿真在现代制造业中，电火花线切割技术被广泛应用于加工形状复杂的曲面零件。
然而，由于传统的三轴加工受到空间曲面限制，往往无法满足高精度、高效率的加工需求。
因此，引入五轴加工技术成为解决此类问题的有效手段。
本文将介绍空间曲面电火花线切割五轴加工的仿真方法及其优势。
一、五轴加工简介五轴加工是指在传统三轴基础上添加两个旋转轴，使刀具能够在更多方向上进行运动。
与传统的三轴加工相比，五轴加工具有以下优势：1. 提高加工效率：通过引入两个旋转轴，五轴加工可以使刀具更加靠近零件表面，从而减小加工时的切削力，提高加工速度。
2. 提高加工精度：五轴加工可以使刀具沿不同轴向对工件进行切削，从而更好地保持切削速度和切削角度，提高加工质量。
3. 扩大加工范围：五轴加工可以实现复杂曲面和多面加工，能够加工出更加复杂的结构。
二、空间曲面电火花线切割的挑战空间曲面电火花线切割是指在曲面零件上进行电火花线切割加工。
由于曲面的复杂性，传统的三轴加工无法满足其要求。
因此，引入五轴加工来解决空间曲面电火花线切割的挑战。
1. 刀具干涉问题：由于曲面形状的复杂性，三轴加工中刀具可能会与工件产生干涉，导致加工误差。
而五轴加工可以通过刀具旋转来调整切削角度，从而避免干涉问题的发生。
2. 加工路径规划问题：对于空间曲面零件，传统的三轴加工无法找到最优的加工路径。
而五轴加工可以通过引入两个旋转轴，灵活调整刀具的运动轨迹，从而找到最优的加工路径，提高加工效率。
三、空间曲面电火花线切割五轴加工的仿真方法为了准确模拟和评估空间曲面电火花线切割五轴加工过程，可以借助仿真技术来进行仿真分析。
具体步骤如下：1. 建立数学模型：首先，根据实际零件的几何信息，建立数学模型，描述曲面的形状特征。
2. 仿真软件选择：选择合适的五轴加工仿真软件，如PowerMill、Mastercam等，根据软件的界面进行操作。
3. 设置刀具和加工参数：根据实际加工要求，选择合适的刀具和参数，如切削速度、进给速度等。
基于HyperMILL和VERICUT的整体叶轮五轴联动加工与仿真
基于HyperMILL和VERICUT的整体叶轮五轴联动加工与仿真本文利用专业多轴数控编程软件HyperMILL，对整体叶轮的五轴联动加工策略进行分析和实现。
首先，工艺分析并拟定加工路径，最后生成POF刀路文件导入VERICUE仿真软件，实现了整体叶轮加工过程仿真和刀具轨迹优化。
标签：HyperMILL 整体叶轮五轴联动VERICUT 仿真1 概述整体叶轮的加工一直是加工过程中长期困扰人们的问题。
在叶片之间有大量的材料需要去除。
为了使叶轮满足气动性的要求，叶片常采用大扭角、根部变圆角的结构，故其加工复杂性一直让工程师们头痛不已。
HyperMILL软件中有专门加工叶轮的模块，使得原本极其复杂的编程变得简单，利用模块就能轻松获得所需要的参数。
2 加工整体叶轮的工艺流程在本文所述零件加工中，需要加工的表面主要为流道面、叶片表面和过渡圆角面。
另外叶片之间有大量材料需要去除，由于不同表面在加工中都有不同的精度要求，因此，在安排工序时，为了保证叶轮的加工质量、生产效率和加工成本，要遵循工序集中、先粗后精的加工原则，尽可能减少换刀和装夹。
所以本文采用的加工流程为：①对叶轮基本回转体进行粗加工和精加工。
②叶轮流道开槽加工。
③叶轮流道及叶片半精加工。
④流道精加工。
⑤叶片精加工。
3 基于HyperMILL的整体叶轮加工刀路设计基于HyperMILL 软件对叶轮的五轴部分进行加工，创建叶轮特征模型，分析和选用加工策略，创建用户刀具库，在参数选项卡中进行相关的设置，生成叶轮五轴加工轨迹仿真，以及加工方法，如表1所示，为叶轮加工提供了最优化的解决方案。
4 基于VERICUT软件的虚拟仿真VERICUT软件已广泛应用于航空、模具制造等行业，其最大特点是可仿真各种CNC系统，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置处理的NC程序。
4.1 虚拟机床的构建首先用UG三维建模软件构建DMU50V型五轴联动数控机床，如图1所示，再生成IGES格式文件，最后导入到VERICUT中设置好相对位置关系，其模型树如图2所示。
五轴变权重等距双NURBS刀具路径平滑算法
LI Qian-kun, ZHAO Xian-chao, GAO Peng, SHI Ji-chao, HUO Xiao-rul (Schooi of Mechanictl Engineering, Shanghai Jiao Tong Universito, Shanghai 200240, China) Abstract: Aiming at tie problm that the five-axil tool path generated by computer aided manufacturing system (CAM) only meets tie G0 continuity, Sius affecting Cic machining accuracy and surfaca quality, an equidistanca dual NURBS path smoothing method using simulated anneding to optimize the weight of conhol points is proposed. Based on theangl of the linear path, the linear tool path is divided into local smooth section and global smooth section, and the auxiliary conhol points are selected to realize the G2 continuity ofNURBSpath obtain&d by dif&r&ntsmoothing m&thods.Th&tooltip path and toolshaftpath adopt the same parameters, and simulated annealing is used to optimize the conhol point weight of the tool tip path and tool shaft path respectively, so as to obtain the equidistanca dual NURBS path satisfying the requirementofposition eror.Simu ation ana/ysisand experimenta/procesing verify theefectivenesof themethod to smooth thetoo/path. Key wonie： tool path smoothing ； equidistant dual NURBS paths ； simulated anneding ； variable weight ； G2 continuity
正交型五轴虚拟机床构建及NC刀具路径仿真模拟
组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术
Ｍｏ ｄ ｕｌ ａ ｒ Ｍａ ｃ ｈｉ ｎｅ Ｔｏ ｏ ｌ＆ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｃ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕｒ ｉ ｎ ｇ Ｔｅ ｃ ｈ ｎｉ ｑ ｕ ｅ
Ｎｏ． １ ２
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄｓ：ｆ ｉｖ ｅ — ａ ｘ ｉ ｓ ｖ ｉ ｒ ｔ ｕ ａ ｌ ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ；Ｃｒ ｅ ｏ；ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
０ 引 言
近 年来许 多 医疗 器材 、 航 空 航 天零 组 件 、 汽 车 元 件 及模 具 均 具有 高 精度 及 复杂 的空 间几 何 形状 的需
Ｄｅ ｃ ．２ ０１ ３
文章编号 ： １ ０ ０ １— ２ ２ ６ ５ （ ２ ０ １ ３ ） １ ２— ０ １ ３ ０— ０ ３
正 交 型 五轴 虚拟 机 床构 建 及 Ｎ Ｃ刀 具路 径 仿真 模 拟 木
吴 陈 燕
（ 台州职 业技术 学院 电子 电 气系 ， 浙 江 台州 ３ １ ８ ０ ０ ０ ）
床在执 行 切 削 工作 前 都 需 要 先做 切 削模 拟 之 测 试 。 有鉴 于此 ， 本 论 文 设 计 出可 供 机 构 运 动 模 拟 的五 轴 机床 模 型 ， 并利 用此 机器模 型来 执行 Ｎ Ｃ刀具 路径 的
所谓 的五轴 机床 是指 在 、 】 ， 、 ｚ正 交 的三 轴 的驱
ｃ ａ ｎ ｖ ｅ ｌｆ ｉ ｙ ｔ ｈｅ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｃ ｔ ｎｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｉｖｅ ｆ — ａ ｘ ｉ ｓ ＣＮＣ ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ，ａ ｎｄ ｔ ｈ ｕ ｓ ｓ ｈ ｏ ｔｅ ｒ ｎ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｐｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｙ— ｃ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｄ ｕｃ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｓ ｔ ｓ ．
五轴数控机床加工仿真系统的使用教程
五轴数控机床加工仿真系统的使用教程随着数控技术的发展，五轴数控机床在工业制造领域得到了广泛应用。
五轴数控机床可以实现对复杂形状零件的高精度加工，然而，对于使用者来说，如何正确使用五轴数控机床加工仿真系统仍然是一个挑战。
因此，本篇文章将向您介绍五轴数控机床加工仿真系统的使用教程，以便您能够更有效地使用该系统进行加工。
第一步：系统安装与初始化配置在开始使用五轴数控机床加工仿真系统之前，需要先将系统安装在计算机上。
确保计算机的配置满足系统要求，并且已经安装了所需的软件。
安装完成后，您需要进行系统的初始化配置。
点击系统图标打开系统，并按照系统的提示依次进行配置。
这些配置项包括语言选择、单位设置、加工参数等。
您可以根据您的个人需求进行适当的配置。
第二步：模型导入与编辑在使用五轴数控机床加工仿真系统之前，您需要将要加工的零件模型导入到系统中。
系统支持多种文件格式，您可以选择符合要求的模型文件进行导入。
导入零件模型后，您还可以对模型进行编辑。
例如，您可以调整模型的大小、位置和角度，以使其适应加工要求。
您还可以添加切削区域、支撑结构等，以增加加工的准确性和稳定性。
第三步：刀具路径规划与优化在完成模型导入和编辑后，接下来需要进行刀具路径规划与优化。
系统会自动生成一条切削路径，以确保零件能够被准确地加工出来。
您可以通过调整加工参数来优化刀具路径。
例如，您可以设置切削深度、进给速度和转速等参数，以实现最佳的加工效果。
系统会根据您的设置自动调整刀轴的移动轨迹和刀具的角度，以减少加工过程中的误差。
第四步：加工仿真与调试在刀具路径规划与优化完成后，您需要进行加工仿真与调试。
系统会模拟出五轴数控机床的工作状态，实时显示加工过程，并生成加工仿真报告。
您可以通过加工仿真报告来评估加工过程中的误差和稳定性。
如果发现问题，您可以对刀具路径和加工参数进行调整，并再次进行仿真。
通过不断地调试，您可以找到最佳的加工方案，并确保零件能够被准确地加工出来。
基于UG的五轴数控虚拟机床仿真技术
基于UG的五轴数控虚拟机床仿真技术王清，机械工程，2111302073摘要：多数五轴数控机床仿真系统，一般只提供二维的动画仿真，而且仿真系统的几何造型功能十分有限，零件和机床模型需要在其他CAD软件中进行建模，然后导入数控仿真系统。
由于文件格式的转化，零件的CAD模型将会产生误差，降低了仿真精度。
该文利用UG CAD/CAM软件造型功能建立五轴数控机床和零件模型，读取数控代码对机床各部件进行三维运动仿真，并对加工过程中机床运动部件之间的干涉及工件过切进行检查，为刀具轨迹的修改提供依据，同时免除了文件格式的转化产生的误差。
关键词：五轴；数控加工；机床仿真；UG NX；ISVTechnology of 5-axis Machining Simulation Based on UG Wang Qing, Mechanical Engineering, 2111302073Abstract: Most machine simulation systems virtually only provide 2D image today. And the modeling ability of those simulation systems of CAD softwareis also limited. So the workpiece should be modeled in other CAD software, then input the date to machine simulation systems. The accuracy will be reduced during the date exchange. In this paper, the machine tool and workpiece models are constructed by UG CAD/CAM software, while the NC programis used as input the date to perform the machine motion. During the simulation, overcut and collisions between the moving machine components can be checked. And the error of data exchange can be avoided.Keywords: 5-axis; NC machining; machining simulation; UG NX; ISV1 引言几十年来，人们普遍认为五轴数控加工技术是加工连续、平滑、复杂曲面的唯一手段。
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五轴数控加工的刀具路径规划与动力学仿真
【摘要】五轴数控作为航天、航空、国防、能源加工的重要方法，对提高制造水平以及工业技术具有重要作用。
近年来，被广泛应用于各军事工业以及民用工业中，由于它在传统三轴加工的基础上增加两个自由度，所以用五轴加工能获得更好的加工质量与生产效率。
本文结合五轴数控加工，对刀具路径规划以及动力学仿真进行了简要的探究和阐述。
【关键词】五轴数控加工；刀具路径；规划；动力学仿真
传统的三轴数控加工通过刀具平动实现各零件加工；五轴数控在三轴机床的基础上，增加了两个旋转轴，让刀具能在工作空间向任意方向移动。
五轴数控加工的优势是通过控制刀轴，在改变刀轴方向的同时，从源头上避免零件与刀具干涉，进行叶轮整体与螺旋桨等相对复杂的零件加工，更好的匹配工件曲面以及刀具几何，在有效切宽的同时，进一步实现大型敞口曲面零件加工；在转变加工环境的同时，用刚度相对较低的刀具，减小刀具伸量。
另外，控制刀轴方向还可以有效控制切削区域，在减小刀具磨损以及切削力的过程中，确保表面加工质量。
但是由于旋转运动的引入，在刀轴更加灵活的同时，也增加了刀具规划的难度；由于进给速度不同，在瞬时变化的过程中，切削力与动力学等问题越来越复杂。
一、五轴数控加工的刀具路径规划
刀具路径规划作为整个数控的核心技术，在复杂的五轴刀具加工中，除了必须满足几何约束外，还必须整合物理因素以及动态特性。
对于加工较难的工件，物理因素与动态特性主要取决于加工质量与效率，这也是刀具路径必须考虑的方面。
在规划刀具路径时，必须在无干扰的基础上，通过改善刀轴方向，进一步扩大切削面积。
（一）干涉避免
目前，没有干涉的刀位规划可以分成：可达性以及后检测先规划的方法。
干涉避免作为复杂曲面加工必须考虑几何约束。
先生成后检测，是先生成刀具路径，再进行对应的干涉规划，通过改善刀轴方向，进一步避免干涉；而在可达性的基础上进行刀具规划，则是直接形成刀具路径的重要方法。
先生成后检测的工作重心集中在调整刀轴方向以及检查干涉中。
数控程序的刀位点通常有几万到十几万行，在检查中需要花费大量资源以及计算时间。
所以研究重点必须放在检查干涉效率上。
在复杂零部件加工时，后检测的方法需要不断调整刀轴方位，在干涉检查中，根据几何约束，进一步强化刀轴方向。
可达性规划方法，首先，应该在离散的触点中计算出对应的方向，再规划刀具路径，这种方法不仅可以正确判断零件的加工性，还可以有效减少刀具路径检测与调整。
在刀具无干涉优化路径中，也可以根据机床刀轴方向，在努力克服刀轴方向难题的同时，计算刀轴需要的时间与资源。
因此，研究重点必须放在刀具可达方向上。
主要有：可视锥法与空间法，空间法的关键是映射到对应的空间。
（二）加工效率
到目前为止，五轴数控加工的重点仍是球头刀，由于效率不高，规划简单，所以必须调整姿态、位置，让刀触点轨迹接近理论曲面，进而不断扩大给定精度的宽度。
对于敞口、平坦的曲面，如何充分利用五轴机床的潜力已逐渐成为当今研究的热点。
在研究集中性圆环刀、平底刀加工，或者圆锥刀、圆柱刀加工时，根据数控加工要求，在靠点成形的过程中，有效控制刀具切削面积，提高加工效率，或者直接“宽行加工”。
在这个过程中，单参数包络原理也就是五轴数控的加工成形原理，真实的加工误差就是包络面与工件曲面的法向误差。
因此，怎样在单个刀位规划中，整合工件曲面与刀具包络面就成了非常重要的问题，甚至直接影响刀位精度。
由于操作复杂性以及难度，很多数控加工单位都使用了简化处理的方法，把刀位规划成单个刀位，在工件曲面与刀具曲面优化中，根据优化模型真实反映加工进程，对刀位
计算、可操作性、通用性、稳定性以及加工精度进行相应的改进。
（三）改善工艺条件
在五轴数控加工中，随着高速加工的提出，加工整体刚度与轨迹光顺性都提出了更高的要求，刀具长度和刀轴向光顺性都会直接影响五轴数控加工的动态特性。
另外，不同的刀轴方向也会改变切削速度以及切削参数，在影响切削参数的同时，综合各项因素进行改善。
由于刀轴光顺性会直接影响运动平稳力度、切削条件、加工过程以及非线性误差，所以，刀轴方向光顺性作为评价刀具路径的重要指标，刀轴度量可以在工件坐标、机床坐标以及进给坐标中定义，同时对应刀轴、机床旋转轴等相关工件的变化。
五轴数控的另一个优势是，在缩短加工零件的同时，进一步提高加工系统的刚度，刀具安全长度一般用仿真性数控程序计算。
如：在Vericut在相关版本中就提供了最短刀具长度计算功能，但是在复杂零件加工时，则必须根据最短刀具长度，将优化刀具长度的问题转变成约束组合的问题。
二、五轴数控加工中的动力学仿真
（一）几何与力学的集成仿真
动态仿真作为物理仿真的条件，在优化主轴转速参数中，通过切削预报，进行自适应控制；在破损监测以及刀具磨损中，对表面加工进行对应的预测。
在切削力度与几何仿真集成中，刀具建模的关键是包络面，常用的刀具建模方法有：隐式、扫掠微分、秩序亏损等方法。
在刀具切削扫面中，通常将鼓刀、环刀、锥刀的切削砖面表示成对应的包络面，再导出刀具在普通空间运动中的单位解析方法；或者根据运行速度以及包络条件，在推导出刀具包络面表达方式时，让公式更加明了简洁。
在切削力进给率规划中，五轴力学仿真集成，可以根据优化切削进给率的方法，使用CAM软件进行进给率优化分析。
在这种传统的优化方法中，通常将进给率设置成反比瞬时材料的去除率，瞬时材料虽然能反映切削力大小，但是不能反映方向，所以在材料基础上的进给率不可能真实反映切削力本质。
由于这种方法规划的进给率和切削力不能恒定，所以根据材料去除率，Bailey根据切削力模型又提出了五轴进给率规划。
（二）动力学仿真
五轴动力学仿真，是在优化状态变量的基础上，提供对应的历程数据，主要包括优化工艺参数、加工稳定性以及动力学建模。
在动力学建模中，主要分成刀具与工件的振动以及薄板耦合振动模型。
但是对于薄壳零件加工，刀具与工件耦合的模型极其少见。
在刀具与工件系统力学模型的基础上，切削动力学主要集中在颤振分析中。
切削过程一般分为模态耦合性与再生性颤振，再用切削系数给出对应的颤振模型，它的精度则完全取决于Fourier以及切削力变化项数，这种类型对于径向切深以及多齿刀具比较适用，相反则缺乏精度。
Altintas小组根据多频率法，在小径向切深的过程中，进行切削稳定性预报。
由于在转速到切深平面扫描时，循环层不需要矩阵函数，根据相关算例表明：在确保数值精度的基础上，和半离散法相比，全离散法对单自由度稳定性的计算效率可以直接提高75%，而切削系统也可以提高60%。
在颤振优化参数中，主要集中在三轴加工上，Altintas等人在切削仿真与稳定性预报的基础上不断优化进给率。
现有的稳定性则是在切削工艺参数与预测模型的基础上，优化工业参数。
但是这种方法不能真实反映加工状况，所以得到的参数不是最优解，也不会有颤振发生。
三、结束语
五轴数控加工作为带动我国工业发展的重要保障，在实际工作中，必须加大科研力度，在做好各项仿真方法的同时；根据国内外先进科研成果以及技术经验，优化加工工艺以及控制方法。