五轴数控加工光滑无干涉刀具路径的规划措施

    摘 要：五轴数控加工技术的关键就在于路径的规划， 在于如何更好地回避刀具与工件的
干涉，本文从复杂曲面五轴刀具路径规划的角度入手，分析了五轴数控加工中干涉的分类
提出了五轴数控加工光滑无干涉刀具路径规划的主要措施，主要集中在优化刀具形状以及
优化刀具轨迹算法这两个方面，从而确保了加工效率和加工精度。

 

　　关键词

 五轴 数控加工 干涉 刀具路径 

　　与传统的三轴数控加工技术相比，五轴数控加工增加了两个旋转自由度。因此，五轴数
控加工不仅可以控制刀具进行不同方向的平动加工，而且可以利用两个旋转轴，使五轴数
控机床的刀具能够快速实现在任意方向的自由加工。由此看出，五轴数控加工的巨大优势在
于刀具路径的控制，这主要表现在以下几个方面。首先，五轴数控加工可以任意改变刀轴方
向，因此可以避免刀具与加工部件的干涉，进而顺利完成复杂曲面的加工。其次，五轴数控
加工便于随时调整刀轴方向，使刀具与加工曲面能够很好地匹配，并可以增大有效切宽，
从而实现大型、复杂曲面的有效加工。再次，由于五轴数控加工技术能够有效控制刀轴方向，
从而大大改善了加工条件。例如，在加工叶轮等曲率较大的曲面时，只需采用刚度较小的小
型刀具，并通过有效控制刀轴方向，就能大大减小刀具悬伸量，同时还能够有效控制刀具
的作用区域，减小刀具的磨损，从而在很大程度上确保了五轴数控加工的质量。基于以上原
因，与三轴数控技术相比，五轴数控加工技术具有不可比拟的优势。但是，由于五轴数控加
工多出了两个旋转自由度，因此使得其刀具路径规划的就更加复杂。总之，五轴数控加工技
术的关键就在于路径的规划，在于如何更好地回避刀具与工件的干涉，特别是加工复杂曲
面零件时，必须考虑到刀具与工件的几何约束，当有干涉出现时，可通过调整刀轴方向来
避免干涉，在离散的刀触点处计算出刀具的可达方向锥，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，优化了刀具路径，最终生成无干涉
刀具路径。

 

　　本文在总结五轴数控加工中干涉分类的基础上，从复杂曲面五轴刀具轨迹规划的角度
入手，分析了五轴数控加工光滑无干涉刀具路径规划的主要措施，以确保在保证加工精度
的同时提高加工效率。

 

　　

1.五轴数控加工中的干涉类型 

　　在五轴数控加工过程中，常见的刀具干涉类型主要有三种，分别为碰撞干涉、过切干涉
及超程干涉。

 

　　

1.1.碰撞干涉 

　　碰撞干涉也可称之为全局干涉，它是指刀具与机床主轴相对于非加工部位的干涉。例如，
刀刃与工件的干涉、刀具切削的干涉、刀具移动中的干涉及固定零件与可动零件的干涉，这
些都属于碰撞干涉。造成碰撞干涉的影响因素主要有：加工曲面的曲率、刀具的形状等。

 

　　

1.2.过切干涉 

　　对于工件表面与刀具切削部位的干涉，我们称之为过切干涉。一旦发生过切干涉，工件
表面原本不被切除的地方被刀具切除，这往往容易引起工件公差的超标。过切干涉类型主要
有三种，即为刀具尾端过切干涉、局部过切干涉及移动过切干涉。

 

　　

1.3.超程干涉 

　　一旦刀具刀位点的相位或坐标超过了机床的行程范围，我们就称之为超程干涉。这种干
涉比较少见，其原因往往是由于数控编程者缺乏操作经验或失误等因素造成的。