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