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數(shù)控車削加工刀具干涉處理的算法研究
更新時(shí)間：2020-10-16
在數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)中，刀具軌跡的自動(dòng)生成中存在刀具角度的干涉處理問題。本文針對數(shù)控車削加工中的刀具角度干涉，提出了刀具角度干涉處理的算法，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，效果良好。
1 刀具干涉處理前的零件圖預(yù)處理
按數(shù)控車削加工的零件特征，可將零件分為：外(內(nèi))表面、倒角、退刀槽及螺紋。由于車削加工的特點(diǎn)，在刀具干涉處理中將退刀槽及螺紋先用外表面代替，從而對零件加工時(shí)的刀具干涉處理，只需考慮表面加工時(shí)的刀具干涉。
2 刀具干涉處理算法
通過對零件圖進(jìn)行干涉前預(yù)處理，此時(shí)被加工的零件輪廓由直線和圓弧組成，因此數(shù)控車削加工時(shí)刀具干涉處理僅僅是對直線和圓弧加工時(shí)的干涉處理。
為減少多次安裝帶來的安裝誤差，數(shù)控加工中一般采用一次裝夾。對那些需要調(diào)頭加工的部位則采取右偏刀反向走刀切削，對反向走刀切削的刀具干涉處理算法與正向切削時(shí)類似。此外對內(nèi)表面加工時(shí)刀具干涉處理的算法與外表面切削時(shí)也相類似。因此本文擬就對正向切削外表面時(shí)的刀具干涉處理的算法加以討論。
如圖1,零件輪廓如為直線則用有向線段表示，如為過象限圓弧，則將其分解。刀具為左偏刀，刀具副切削刃與z坐標(biāo)軸的夾角為α,β為零件輪廓直線與z坐標(biāo)軸的夾角，如圖2。
切削直線時(shí)的刀具干涉處理算法
如圖2,當(dāng)β≤α?xí)r，刀具切削加工時(shí)無干涉。
當(dāng)β>α?xí)r，如圖2中線段C，該刀具加工到此處時(shí)將留下圖中陰影的殘留部分。為切出殘留部分，可通過改變刀具角度，或者通過反向走刀切削切除。為減少更換刀具次數(shù)和統(tǒng)一刀具干涉處理的算法，本算法采用反向走刀的方法切除其殘留部分。如圖2中，將其線段C轉(zhuǎn)化為角度為α的直線C`，對殘留部分在下一工步采用右偏刀切削，切削的起刀點(diǎn)定位在圖中Q點(diǎn)，刀具的軌跡為QDC，C為終點(diǎn)。經(jīng)過正反向切削即可加工出零件圖的輪廓形狀。
切削圓弧時(shí)的刀具干涉處理算法
當(dāng)零件輪廓為第Ⅰ象限圓弧時(shí)，刀具切削該圓弧時(shí)無干涉。
零件輪廓為第Ⅱ象限圓弧時(shí)，隨零件輪廓圓弧的起點(diǎn)與終點(diǎn)的位置不同，切削時(shí)有可能產(chǎn)生刀具干涉。如圖3(a)，作角度為α的直線L與圓弧C相切，其切點(diǎn)為T，當(dāng)被切削圓弧的起點(diǎn)位于切點(diǎn)T的左邊時(shí)則存在干涉．將圓弧C分解為圓弧C‘和C”。切削C’時(shí)將不會產(chǎn)生干涉，而切削C”時(shí)將產(chǎn)生干涉，為此將圓弧C”用其切線TP代替，同時(shí)增加輔助線PD(PD為過本段圓弧終點(diǎn)與切線相交的垂線)，增加此輔助線的目的是為算法實(shí)現(xiàn)的方便．在后續(xù)的處理中，對此段圓弧用切線代替后的處理如同上述對直線的處理。同樣對該輔助線處理也轉(zhuǎn)化為上述對直線的處理。
當(dāng)零件輪廓為第Ⅲ象限時(shí)，切削時(shí)刀具無干涉。
零件輪廓為第Ⅳ象限時(shí)，切削加工視刀具角度的不同有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的干涉。如圖3(b)，過圓弧的起點(diǎn)作角度為α的直線L，求直線與圓弧的交點(diǎn)，如交點(diǎn)存在，交點(diǎn)左側(cè)切削無干涉，而右側(cè)切削有干涉。將圓弧在交點(diǎn)處截?cái)?，將右?cè)的圓弧轉(zhuǎn)化為角度α的直線L。如交點(diǎn)不在該圓弧上，則將圓弧轉(zhuǎn)化為角度為α的直線L，同時(shí)過圓弧終點(diǎn)作垂直輔助線，如圖3(c)。其殘留部分的處理同上所述通過反向切削時(shí)切除。
3 算法實(shí)現(xiàn)
根據(jù)上述的算法原理，通過對零件圖特征的分析，在算法實(shí)現(xiàn)的程序設(shè)計(jì)中對刀具干涉的處理，可分為如下三種情況：
直線與直線相連接；
直線與圓弧相連接；
圓弧。
直線與直線相連接的處理．如切削直線時(shí)存在刀具干涉，如圖4(a),則將該直線用角度為α的直線L代替，同時(shí)求該直線與后續(xù)直線的交點(diǎn)．如有交點(diǎn)，則在交點(diǎn)處將直線截?cái)啵稽c(diǎn)的右部分直線轉(zhuǎn)化為角度為α的直線．如無交點(diǎn)或交點(diǎn)不在直線上，則下一直線也轉(zhuǎn)化為角度α的直線．其終點(diǎn)的z坐標(biāo)為該線段的z坐標(biāo)，同時(shí)增加垂直輔助線，如圖4(b)。
當(dāng)直線接第Ⅰ象限圓弧時(shí)，刀具切削圓弧時(shí)無干涉，但如切削直線有干涉存在，將直線轉(zhuǎn)化為角度為α的直線L如圖5(a)。則圓弧的起點(diǎn)被修改為直線L與該圓弧的交點(diǎn)。如無交點(diǎn)則表明該段圓弧位于該直線下，此時(shí)將該圓弧也轉(zhuǎn)化為角度為α的直線，其終點(diǎn)z坐標(biāo)為該圓弧的終點(diǎn)的z坐標(biāo)。如圖5(b)所示(從結(jié)構(gòu)工藝性考慮，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免這種結(jié)構(gòu))。
當(dāng)直線接第Ⅱ象限圓弧時(shí)，此時(shí)刀具切削直線和圓弧都有可能干涉。如刀具切削直線有干涉存在，其處理算法同本段第1節(jié)所述。如與直線相接的后續(xù)圓弧也存在刀具干涉，則將該圓弧轉(zhuǎn)化為角度為α的直線，其處理的算法同本段第2節(jié)所述。
當(dāng)直線接第Ⅲ象限圓弧時(shí)，刀具切削圓弧時(shí)無干涉，但如切削直線有干涉存在，其處理算法同本段第2節(jié)所述。
當(dāng)直線接第Ⅳ象限圓弧時(shí)，此時(shí)刀具切削直線有可能干涉。切削圓弧也有可能干涉。如該直線加工時(shí)有干涉，其處理的算法同切削直線時(shí)的算法。對圓弧切削時(shí)的干涉處理，其算法同上述圓弧切削的算法。
算法框圖
4 結(jié)語
本算法穩(wěn)定，可靠。能應(yīng)用于數(shù)控車削加工的自動(dòng)編程系統(tǒng)。
根據(jù)本文所述的算法，在加工某些形狀的零件時(shí)，必要時(shí)需經(jīng)過反復(fù)多次的正反向切削才能完成，但由于切削加工一般有粗加工和精加工，因此對于因刀具角度而產(chǎn)生的欠切削殘留的較小余量，可暫不考慮，在精加工或半精加工時(shí)處理。精加工時(shí)因刀具切削條件的改善，產(chǎn)生刀具干涉的幾率相對要小得多。
