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第4卷第3期
2005 年 6 月
江南大学学报(自然科学版)
Journal of Southern Yangtze University(Natural Science Edition )
Vol .4 No .3
Jun . 200
5
文章编号 :1671 - 7147(2005 )03 - 0295 - 07
收稿日期 :2004-06-21; 修订日期 :2004 - 08 - 31 .
作者简介 :何雪明(1966 - ),男 ,江苏吴县人 ,副教授 ,工学硕士 .主要从事机械 CAD/CAM、机器人等研究 .
用端铣刀数控加工自由曲面的刀具干涉检测
何雪明
1,4
, 李建康
2
, 张 荣
3
, 李成刚
4
(1 .江南大学 机械工程学院 ,江苏 无锡 214122 ;2 .青海白唇鹿股份有限公司 ,青海 西宁 810015 ;3 .江南大
学 理学院 ,江苏 无锡 ,214122 ;4.华中科技大学 机械科学与工程学院 ,湖北 武汉 430074 )
摘 要 :针对用端铣刀在自由曲面上进行 3 轴数控加工 ,提出了一种系统的刀具干涉检测方法 .加
工自由曲面时 ,刀具干涉可能出现在包括刀具驱动面在内的刀具周围任何区域 .提出用检测线代
替检测面来寻找加工自由曲面时可能出现刀具干涉的方法 ,可极大地加快检测过程 ,改善加工精
度和可靠性 ,而且有利于产品的几何设计和指导影响加工效率的刀具选择 .研究表明 ,所提的方法
和算法合理有效 .
关键词 :端铣刀 ;自由曲面 ;刀具干涉检测 ;3 轴数控加工 .
中图分类号 :TG 659 ; TH 164 文献标识码 : A
Interference Detection in NC Machining of Freeform Surfaces
Using an End Milling Cutter
HE Xue ming
1,4
, LI Jian kang
2
, ZH ANG Rong
3
, LI Cheng gang
4
(1 . School of Mechanical Engineering , Southern Yang tze Universit y ,Wuxi 214122 , China ;2 .Qinghai Baichunlu
Ltd.,Inc ., QinghaiXining 810015 , China ;3 .College of Science , Southern Yangtze U niversity ,Wuxi 214122 ,Chi
na ;4.School of M echanical Science and Engineering , Huazhong University of Science and Technology , Wuhai
430074 , China )
Abstract : This paper presents a systematic interference detection methodology for machining free
form surfaces on three axis NC machines using an end milling cutter . When a freeform surface is
being milled , the interference may exist anywhere around the cutter circumference ,in addition to
the tool driving plane . In this method , check lines inst ead of check planes are used t o identify the
potential interference areas on the sculptured surface to be machined . Therefore , the proposed
approach greatly speeds the process of detecting the interference and improves the accuracy and
reliabilit y o f m achining . Geometric design processes of product and cutter size selection that are
crucial to machining efficiency are also facilitated . The case study has demonstrated the validity
of the proposed methodology and algorithms .
Key words : end milling cutter ; freeform surfaces ; interference detection ; three axis NC
machining
自由曲面是工程中最复杂而又经常遇到的曲 面 ,因为用自由曲面表达的零部件不但美观大方 ,
而且能在控制产品的几何形状方面提供更高的自
由度和更好的空气动力和热力学特性 . 因此 ,自由
曲面被广泛应用在造船、汽车、能源、国防和航空航
天等要求产品特征表达细致且产品功能特殊又复
杂的行业 .
数学描述中 ,自由曲面是那些独特的、复杂的、
不能用显式表示的几何曲面 ,一般不能由剖面而只
能由特征点簇或特征曲线簇来形成 .设计上 ,这些
困难使得制造自由曲面产品的过程更加复杂而费
时.随着计算机辅助设计和制造(CAD/CAM )的 普
及 ,高性价比的数控机床和计算机的不断涌现 ,再
加上人们对高性能产品美观性的要求 ,极大地推动
了自由曲面在产品设计中的广泛使用 .
由几何模型转化为实际产品有许多方法 ,基于
数控编程的灵活性和可加工材料的多样性 ,工程实
际中普遍采用数控加工来实现这个过程 .用数控机
床加工曲面类零件 ,一般是在三坐标数控铣床用球
头刀采用行切法进行 ,这是由于球头刀对曲面法矢
有自适应能力 ,而且只要刀具半径小于曲面最小曲
率就可避免干涉现象 ,但是球头刀加工曲面是点接
触 ,从而降低了加工精度和效率 .而端铣刀加工曲
面是用平面的运动去逼近待加工表面 ,还可保证加
工点处切削速度较高 ,所以在粗加工和半精加工
中,越来越多地使用端铣刀加工
[1 ,2 ]
.
设计与制造间的工艺安排最终决定产品的精
度和成本 ,而受到日益关注 ,尤其是其中为数控机
床安排刀具路径的工作 .并行工程认为 ,工程师在
设计阶段就需考虑随后的加工因素 ,尤其是刀具加
工时的干涉问题 .刀具干涉就是刀具运动时待加工
零件和刀具间发生过切或欠切现象 ,会破坏零件或
延长加工时间 ,且将增加加工成本 .虽说在加工过
程中发现了干涉现象 ,但它可能是在设计阶段就产
生了 .而一旦有干涉存在 ,就可通过选用更小半径
的刀具或修改原始几何模型来消除 .因此 ,干涉的
识别和消除是产品设计和制造过程中须同时考虑
和解决的棘手问题 .
1 干涉现象
迄今为止 ,还没有完全解决自由曲面加工过程
中刀具干涉 问题 .最典型的干 涉可分为 :(1 )全干
涉———当刀具加工 曲面时 ,刀具 碰撞曲面 ,见 图 1
(a );(2 )局部干涉———导致工件材料被过切或欠
切,见图 1(b )~ ( d ).其最大区别是 :局部干涉可通
过选用较小的刀具或在刀具路径上增添额外的刀
位点来避免 ;而全干涉一般是不能避免的 ,只能用 4
或 5 轴数控机床加工部分地解决 .依据曲面形状 ,
局部干涉又分为凸干涉和凹干涉两种
.
图 1 典型的干涉现象
Fig .1 Typical interference phenomena
1 ) 凸干涉 .它是由于刀位点不足产生的 ,一般
起决于加工误差 ,见图 1(b ).Choi 和 Jun
[3 ]
提出在
刀具路径上增添附加的刀位点而免除过切来解决 .
2)凹干涉.典型的凹干涉是由加工刀具的刀具
半径超过曲面上刀具接触点处的曲率半径引起的 ,
改用小尺寸的刀具就可消除此种干涉 ,见图 1 (c ).
当刀具加工复合自由曲面的相邻面片时也会出现
凹干涉 ,见图 1(d ).
20 世纪 80 年代中期以来 ,在加工自由曲面过
程中避免刀具干涉的研究已有很多 .Choi 和 Jun
[3 ]
提出在三轴球头刀加工中先将刀具接触点(即 CC
点)转换成许多小三角面片 ,然后计算刀具中心和
附近三角面片的距离 ,最后再进行两阶段干涉检
测.第一阶段干涉检测去除那些会形成封闭的刀具
路径的刀位点消除曲面凹进去部位的干涉 ;第二阶
段插入附加的刀位点来避免曲面凸起部位的干涉 .
Bobrow 等
[4 ]
用一迭代算法来消除面与面连接处的
干涉 ,此法类似于自动编程工具(APT )而 不 适 合 自
由曲面的加工 .Hwang 等
[5 ]
通过只检查曲面上距离
刀具接触点刀具半径范围内的点与刀具关系 ,改善
了干涉的检测过程并避免过多的重复检测 .Oliver
等
[6 ]
发现在曲率变化较快的区域 ,刀具会与曲面邻
近部位相抵触形成如蝴蝶状的刀具路径图案 .Lai
等
[7 ]
先偏置零件面 ,再用一系列平行平面与之相交
获得刀位点 ,寻找由干涉刀位点形成的封闭环来消
除干涉 .该法不足在于没有考虑相邻切割平面间的
干涉问题 .与 Lai 等的方法相同 ,Tang 等
[8 ]
讨论了
复合自由曲面的干涉问题 ,安排的刀具路径也是相
692 江南大学学报(自然科学版) 第4卷
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