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數(shù)控車削加工刀具干涉處理的算法研究
更新時間：2020-10-16
在數(shù)控自動編程系統(tǒng)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(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)實際應(yīng)用檢驗，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，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(yù)處理，此時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(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類似。此外對內(nèi)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?xí)r，刀具切削加工時無干涉。
當β>α?xí)r，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(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，切削的起刀點定位在圖中Q點，刀具的軌跡為QDC，C為終點。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(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(chǎn)生干涉，而切削C”時將產(chǎn)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(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(chǎn)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(cè)切削無干涉，而右側(cè)切削有干涉。將圓弧在交點處截斷，將右側(cè)的圓弧轉(zhuǎn)化為角度α的直線L。如交點不在該圓弧上，則將圓弧轉(zhuǎn)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(xiàn)
根據(jù)上述的算法原理，通過對零件圖特征的分析，在算法實現(xiàn)的程序設(shè)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(xù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)工藝性考慮，設(shè)計時應(yīng)避免這種結(jié)構(gòu))。
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(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(jié)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(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，必要時需經(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處理。精加工時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。
