0 引言

　　刀具軌跡的設(shè)計(jì)是零件數(shù)控加工中最重要同時(shí)也是研究最為廣泛深入的內(nèi)容，能否生成有效的刀具軌跡直接決定了加工的可能性、質(zhì)量與效率，尤其在數(shù)控加工技術(shù)飛速發(fā)展的今天，對刀具軌跡的研究與優(yōu)化顯得極其重要。當(dāng)前許多CAD/AM系統(tǒng)都采用了基于特征的設(shè)計(jì)技術(shù)，由于特征包含了設(shè)計(jì)、制造過程中有關(guān)的信息，因此它為實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM之間的無縫集成奠定了基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中。從不同的應(yīng)用角度可以形成不同的特征模型，而形狀特征是描述零件的最主要特征模型，它是其它特征模型的基礎(chǔ)川。任何一個(gè)零件，從其組成結(jié)構(gòu)來看，都可看成為是由多個(gè)形狀特征堆積而成，因此，在對零件進(jìn)行刀具路徑規(guī)劃時(shí)，可以將特征作為設(shè)計(jì)單元對零件進(jìn)行刀具路徑規(guī)劃，而每一類特征均可通過一組參數(shù)來描述，因此，為了提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)的通用性，本文提出了一種基于特征的參數(shù)化刀具軌跡設(shè)計(jì)技術(shù)。

1 基于特征的參數(shù)化刀具路徑設(shè)計(jì)

　　基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)，即參數(shù)化特征造型，意在將基于特征的設(shè)計(jì)方法和參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法有機(jī)的結(jié)合起來，以特征為操作單位，并對特征信息參數(shù)化．從而使得特征的幾何和拓補(bǔ)信息具有可調(diào)整性。體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的高效性。

　　1.1 特征的定義及分類

　　特征是組成零件的功能要素，它定義實(shí)體零件的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)并描述零件的物理特性，包括零件的面、外形、尺寸和孔、槽、型腔、凸臺(tái)的位置及其它特征，我們通常所指的特征主要是指形狀特征，它是一個(gè)包含工程含義或意義的幾何原型外形，不是普通的體素，而是一種封裝了各種屬性和功能的功能要素，它具有工程含義的幾何實(shí)體，它表達(dá)的產(chǎn)品模型兼含語義和形狀兩方面的信息，它攜帶和傳遞有關(guān)設(shè)計(jì)和制造所需要的工程信息，是組成機(jī)械零件實(shí)體模型的基本單元，體現(xiàn)了產(chǎn)品的功能要素和工程含義，是描述產(chǎn)品信息的集合。新的特征可以由舊的特征繼承得來，并加入所需的新的信息，一般是對形狀特征的擴(kuò)充。

　　在機(jī)械領(lǐng)域進(jìn)行特征的分類，可以用零件或體素的幾何相似性，兼顧各要素的功能和形狀。進(jìn)行分組分類處理．提取、制定體素規(guī)范和圖素規(guī)范。目前尚無統(tǒng)一的特征分類方法，一般來說有形狀特征、材料特征、精度特征、工藝特征等。形狀特征有不同的分類方法，可以將各種槽、凹坑、凸臺(tái)、孔、殼、壁等作為形狀特征。對于不同的應(yīng)用，特征的表現(xiàn)形式也是不同的。建立產(chǎn)品的特征模型，其核心內(nèi)容是形狀特征的表示與引用。形狀特征最濕著的標(biāo)志就是：在標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品幾何信息模型基礎(chǔ)上，附加了隱式的制造或工藝等語義信息。因此特征的研究很多事集中在形狀特征上，這里僅介紹形狀特征的分類。根據(jù)形狀特征在零件中所發(fā)揮的作用不同，可以分為主形狀特征和輔助形狀特征，如圖1所示特征簡單分類。

圖1 零件形狀特征的分類

　　1.2 特征參數(shù)

　　特征的參數(shù)一旦確定，特征的形狀也就確定了，所以也就給我們實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的方法。對于常見的形狀特征來說，槽所具有的特征包括長、寬、高、深度、壁厚以及倒角等，這些參數(shù)一旦確立槽也就確定了；同樣的道理。對于孔來說，它的參數(shù)包括圓的半徑和孔的深度等；曲面的參數(shù)包括各控制頂點(diǎn)及相應(yīng)權(quán)因子和頂點(diǎn)向量等。特征及其對應(yīng)參數(shù)如表1所示。

　　1.3 刀具路徑參數(shù)化設(shè)計(jì)與軌跡的生成

　　當(dāng)將特征分類后，分別為每類特征設(shè)計(jì)其刀具軌跡，對于不同的特征采用不同的刀具軌跡規(guī)劃方法。在實(shí)際加工中，某些制造特征常常需要經(jīng)過多道工步加工，因此在進(jìn)行這些特征刀具軌跡規(guī)劃之前，要分析每類特征數(shù)控加工時(shí)的工藝特點(diǎn)，例如對于平面類、曲面類、孔類等規(guī)則的制造特征，它們的粗加工與精加工的走刀軌跡相似，僅刀具半徑補(bǔ)償值、長度補(bǔ)償值或某個(gè)進(jìn)刀方向的尺寸有所不同，在設(shè)計(jì)它們的走刀軌跡模型時(shí)，是以特征的精加工輪廓尺寸來進(jìn)行規(guī)劃的，即它們粗加工、精加工刀具軌跡都是通過該特征的精加工走刀軌跡模型自動(dòng)產(chǎn)生的。例如對曲面來說，曲面用曲線離散化，就生成了刀觸軌跡曲線。在刀觸軌跡曲線任意一點(diǎn)r(u_c，v_c)上進(jìn)行刀具補(bǔ)償后，刀觸軌跡曲線就生成了刀具軌跡曲線，在這里我們以球頭銑刀為例進(jìn)行曲面加工，并設(shè)銑刀半徑為R，為保證加工的表面質(zhì)量，應(yīng)從工件的邊界外進(jìn)刀和退刀，所以在刀觸軌跡曲線任意一點(diǎn)上加上刀具半徑后，就生成了刀具軌跡刀位點(diǎn)：(u_c，v_c)=r(u_c，v_c)+R·n(u_c，v_c)式中n(u_c，v_c)為點(diǎn)r(u_c，v_c)處的單位法矢量；而對于臺(tái)階、槽等特征來說，由于其粗加工的目的主要是去除實(shí)體上的多余材料，以初步形成制造特征的幾何輪廓，而精加工是在形成的幾何輪廓上進(jìn)行，所以其粗、精加工的走刀軌跡有所不同，則對于這類特征，分別設(shè)計(jì)了其粗、精加工的走刀軌跡模型。在生成每個(gè)特征的走刀軌跡模型時(shí)，采用的一般原則是：在保證零件加工精度和表面粗糙度的前提下，縮短進(jìn)給路線，減少空行程，使得刀具路徑最短，加工效率最高。例如，對于平面、臺(tái)階類等規(guī)則類特征，其走刀軌跡之間采用往復(fù)式雙向的行切法，并盡量減少相鄰走刀軌跡之間的重復(fù)搭接量；對于槽，采用行切和環(huán)切相結(jié)合的方式走刀。圖2是數(shù)控加工中基于特征的刀具路徑參數(shù)化設(shè)計(jì)流程圖。在人機(jī)交互模式下，以面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境為基礎(chǔ)，通過借助特征數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)和特征刀具路徑規(guī)劃知識(shí)庫來實(shí)現(xiàn)刀具軌跡的生成，最后通過改變特征參數(shù)來驗(yàn)證參數(shù)化設(shè)計(jì)的有效性、高效性及合理性。

圖2刀具路徑參數(shù)化設(shè)計(jì)流程圈

以槽為例簡單敘述圖3所示刀具路徑參數(shù)化設(shè)計(jì)流程，由用戶獲得槽的各個(gè)參數(shù)(長、寬、高及圓角半徑)和刀具半徑，并把它們儲(chǔ)存在對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中；借助槽的刀具路徑規(guī)劃知識(shí)庫來規(guī)劃槽的刀具路徑，最后在面向?qū)ο笳Z言的平臺(tái)上結(jié)合之前數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)繪制出槽來，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)其數(shù)控加工的走刀軌跡，為了驗(yàn)證參數(shù)化的靈活性和高效性，可以通過改變槽的參數(shù)獲得不同的槽，也獲得不同的走刀軌跡。

圖3槽參數(shù)界面

2 實(shí)例驗(yàn)證

　　本文以帶規(guī)則島嶼的槽為例來實(shí)現(xiàn)其刀具軌跡的參數(shù)化設(shè)計(jì)，采用統(tǒng)一的壁厚，刀具軌跡選擇等參數(shù)步長和等距偏置的方法來實(shí)現(xiàn)，采用環(huán)切和行切相結(jié)合的走刀方式。上文已經(jīng)敘述了槽的各個(gè)參數(shù)，此外本例還有規(guī)則島嶼的長、寬、高及圓角等參數(shù)，為適應(yīng)一般性把島嶼圓角和兩邊長聯(lián)系起來。當(dāng)規(guī)則島嶼的長a，寬b和島嶼圓角半徑滿足關(guān)系2r=a=b時(shí)，島嶼就變成圓柱形狀了，這又體現(xiàn)了本文參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)越性和高效性。另外數(shù)控加工刀具軌跡中還需確定兩相鄰切削行刀具軌跡或刀具接觸點(diǎn)路徑之間的距離，也就是走刀行距和切削深度。行距的大小是影響曲面加工質(zhì)量和效率的重要因素，行距過小將使加工時(shí)間成倍增加，同時(shí)還導(dǎo)致零件程序的膨脹；行距過大則表面殘余高度增大，后續(xù)處理工作量加大，整體效率降低，因此，為了既滿足加工精度和表面粗糙度的要求，又要有較高的生成效率，應(yīng)確定合適的加工方案以使在滿足殘余高度要求的前提下使走刀行距盡可能大。在本文中讓走刀行距與刀具半徑相關(guān)聯(lián)，通過改變刀具半徑或它們的關(guān)聯(lián)關(guān)系來調(diào)整刀具行距以達(dá)到最佳效果。切削深度主要受機(jī)床、工件和刀具剛度限制，在剛度允許的情況下，盡可能加大切削深度，以減少走刀次數(shù)，提高加工效率。本例把槽分為四個(gè)區(qū)域分辨對其進(jìn)行刀具軌跡的規(guī)劃，帶島嶼的槽(也是帶島嶼的型腔)刀具軌跡的規(guī)劃方法見相關(guān)文獻(xiàn)，刀具軌跡規(guī)劃后的工作，就是首先在走刀行距確定后，對第一層的四個(gè)區(qū)域逐個(gè)實(shí)現(xiàn)其刀具的走刀軌跡，最后把它們各個(gè)獨(dú)立區(qū)域的刀具軌跡連接起來，待切削深度確定后對四個(gè)區(qū)域逐層加工，直到完成數(shù)控加工。在人機(jī)交互模式下，通過修改參數(shù)數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)不同尺寸和類型的槽的刀具軌跡。圖3、圖4就是在Visual C++環(huán)境下結(jié)合OpenGL三維繪圖語言實(shí)現(xiàn)的刀具路徑的參數(shù)化設(shè)計(jì)的界面和仿真圖形。可以通過改變參數(shù)來改變槽和島嶼的幾何形狀和刀具軌跡。該仿真系統(tǒng)是采用Visual C++和OpenGL進(jìn)行設(shè)計(jì)的，采用Visual c++構(gòu)建了仿真系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，并為OpenGL提供了運(yùn)行環(huán)境，OpenGL進(jìn)行幾何建模，實(shí)現(xiàn)了刀具軌跡的仿真，檢驗(yàn)了刀具工件的合理性與正確性。

圖4生成刀具軌跡

3 結(jié)束語

　　長期以來，基于特征的設(shè)計(jì)被廣泛關(guān)注，人們把目光注視在了基于特征與參數(shù)化相結(jié)合的方法上。在分析了特征及參數(shù)設(shè)計(jì)的思想下，提出了一種基于特征與參數(shù)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法進(jìn)行刀具軌跡的規(guī)劃，通過仿真技術(shù)驗(yàn)證了其合理性和有效性。