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    數控車削加工刀具干涉處理的算法研究

    更新時間:2020-10-16

    在數控自動編程系統中,刀具軌跡的自動生成中存在刀具角度的干涉處理問題。本文針對數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,經實際應用檢驗,效果良好。
    1 刀具干涉處理前的零件圖預處理
    按數控車削加工的零件特征,可將零件分為:外(內)表面、倒角、退刀槽及螺紋。由于車削加工的特點,在刀具干涉處理中將退刀槽及螺紋先用外表面代替,從而對零件加工時的刀具干涉處理,只需考慮表面加工時的刀具干涉。
    2 刀具干涉處理算法
    通過對零件圖進行干涉前預處理,此時被加工的零件輪廓由直線和圓弧組成,因此數控車削加工時刀具干涉處理僅僅是對直線和圓弧加工時的干涉處理。
    為減少多次安裝帶來的安裝誤差,數控加工中一般采用一次裝夾。對那些需要調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類似。此外對內表面加工時刀具干涉處理的算法與外表面切削時也相類似。因此本文擬就對正向切削外表面時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坐標軸的夾角為α,β為零件輪廓直線與z坐標軸的夾角,如圖2。
    切削直線時的刀具干涉處理算法
    如圖2,當β≤α時,刀具切削加工時無干涉。
    當β>α時,如圖2中線段C,該刀具加工到此處時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和統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,切削的起刀點定位在圖中Q點,刀具的軌跡為QDC,C為終點。經過正反向切削即可加工出零件圖的輪廓形狀。
    切削圓弧時的刀具干涉處理算法
    當零件輪廓為第Ⅰ象限圓弧時,刀具切削該圓弧時無干涉。
    零件輪廓為第Ⅱ象限圓弧時,隨零件輪廓圓弧的起點與終點的位置不同,切削時有可能產生刀具干涉。如圖3(a),作角度為α的直線L與圓弧C相切,其切點為T,當被切削圓弧的起點位于切點T的左邊時則存在干涉.將圓弧C分解為圓弧C‘和C”。切削C’時將不會產生干涉,而切削C”時將產生干涉,為此將圓弧C”用其切線TP代替,同時增加輔助線PD(PD為過本段圓弧終點與切線相交的垂線),增加此輔助線的目的是為算法實現的方便.在后續的處理中,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化為上述對直線的處理。
    當零件輪廓為第Ⅲ象限時,切削時刀具無干涉。
    零件輪廓為第Ⅳ象限時,切削加工視刀具角度的不同有可能產生嚴重的干涉。如圖3(b),過圓弧的起點作角度為α的直線L,求直線與圓弧的交點,如交點存在,交點左側切削無干涉,而右側切削有干涉。將圓弧在交點處截斷,將右側的圓弧轉化為角度α的直線L。如交點不在該圓弧上,則將圓弧轉化為角度為α的直線L,同時過圓弧終點作垂直輔助線,如圖3(c)。其殘留部分的處理同上所述通過反向切削時切除。
    3 算法實現
    根據上述的算法原理,通過對零件圖特征的分析,在算法實現的程序設計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,同時求該直線與后續直線的交點.如有交點,則在交點處將直線截斷,交點的右部分直線轉化為角度為α的直線.如無交點或交點不在直線上,則下一直線也轉化為角度α的直線.其終點的z坐標為該線段的z坐標,同時增加垂直輔助線,如圖4(b)。
    當直線接第Ⅰ象限圓弧時,刀具切削圓弧時無干涉,但如切削直線有干涉存在,將直線轉化為角度為α的直線L如圖5(a)。則圓弧的起點被修改為直線L與該圓弧的交點。如無交點則表明該段圓弧位于該直線下,此時將該圓弧也轉化為角度為α的直線,其終點z坐標為該圓弧的終點的z坐標。如圖5(b)所示(從結構工藝性考慮,設計時應避免這種結構)。
    當直線接第Ⅱ象限圓弧時,此時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節所述。如與直線相接的后續圓弧也存在刀具干涉,則將該圓弧轉化為角度為α的直線,其處理的算法同本段第2節所述。
    當直線接第Ⅲ象限圓弧時,刀具切削圓弧時無干涉,但如切削直線有干涉存在,其處理算法同本段第2節所述。
    當直線接第Ⅳ象限圓弧時,此時刀具切削直線有可能干涉。切削圓弧也有可能干涉。如該直線加工時有干涉,其處理的算法同切削直線時的算法。對圓弧切削時的干涉處理,其算法同上述圓弧切削的算法。
    算法框圖
    4 結語
    本算法穩定,可靠。能應用于數控車削加工的自動編程系統。
    根據本文所述的算法,在加工某些形狀的零件時,必要時需經過反復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處理。精加工時因刀具切削條件的改善,產生刀具干涉的幾率相對要小得多。

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