整體葉輪無干涉路徑規(guī)劃及加工仿真

孫宏昌，張 健，鄧三鵬，張?zhí)旖?彤

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津 300222；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；3.天津泰華易而速機(jī)器人科技有限公司，天津 300457）

五軸機(jī)床整體葉輪加工過程中，刀觸點(diǎn)與被加工曲面之間的局部干涉及刀具與相鄰不參與加工曲面之間的全局干涉會導(dǎo)致零件不合格，甚至?xí)Φ毒摺A具及機(jī)床本身產(chǎn)生破壞[1]。整體式葉輪的葉片與輪轂由整體毛坯加工而成，結(jié)構(gòu)緊湊，葉片曲面形狀復(fù)雜，研究加工無干涉路徑規(guī)劃算法，是避免干涉碰撞以獲得高質(zhì)量加工成品的熱點(diǎn)問題。干涉問題處理方法的基本原理是基于曲線到曲面距離的判斷，包括曲面離散法、實(shí)體布爾運(yùn)算法和包圍盒法[1-3]。至今，對于五軸數(shù)控加工空間復(fù)雜自由曲面的研究，還未總結(jié)出無干涉刀具軌跡規(guī)劃的成熟算法。常用的曲面加工刀具路徑規(guī)劃算法研究包括等參數(shù)線法、等距截平面法、等殘留高度法、投影法、三坐標(biāo)球頭刀多面體自由曲面加工方法和分片側(cè)銑法[4-8]，由于葉片曲面參數(shù)分布不均，上述算法均存在適應(yīng)性不強(qiáng)或算法復(fù)雜、計算量大等問題。針對上述問題，本文對整體葉輪無干涉路徑規(guī)劃算法進(jìn)行探討。

1 無干涉路徑規(guī)劃算法

1.1 加工干涉判定方法

曲面加工干涉涉及2種情況：一種是加工曲面曲率小于刀具半徑而產(chǎn)生的干涉，另一種是加工程序編制不當(dāng)造成的干涉，分別如圖1和圖2所示[9]。

圖1 刀具半徑干涉

圖2 運(yùn)動干涉

（1）無干涉刀位點(diǎn)判定

以球頭刀為例，無干涉刀位點(diǎn)模型如圖3所示。刀觸點(diǎn)ec和ea均為CC點(diǎn)（以下符號均不帶下標(biāo)，表示對CC點(diǎn)、CC數(shù)據(jù)和CL點(diǎn)的統(tǒng)稱），其位置矢量r和法向矢量n所表示的數(shù)據(jù)（r，n）稱為CC數(shù)據(jù)，球頭刀刀位點(diǎn)稱為CL點(diǎn)，即mc點(diǎn)和ma點(diǎn)。

圖3 無干涉刀位點(diǎn)模型

設(shè)刀軸矢量 r=（0，0，1），且設(shè)加工曲面 S 上任意點(diǎn)滿足n·r≥0。此時，在曲面S上滿足以下條件的區(qū)域Sm稱為對應(yīng)于CL點(diǎn)的可能刀具干涉區(qū)域：

式中：e為CC點(diǎn)位置矢量；m為CL點(diǎn)位置矢量，即：

式中：R為球頭刀球頭半徑。

因此，CL點(diǎn)為無干涉刀位點(diǎn)的充要條件為：

式中，不滿足上述條件的點(diǎn)位于曲面上曲率半徑小于刀具半徑的凹區(qū)域附近，如圖1所示。

設(shè)ea和ma分別為與ec在同一CC路徑或相鄰CC路徑上的相鄰點(diǎn)及其對應(yīng)刀位點(diǎn)，na和nc為相應(yīng)法向矢量，若滿足關(guān)系：

則稱CC點(diǎn)ea為干涉特征點(diǎn)。據(jù)此，根據(jù)干涉特征點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對干涉區(qū)域位置與范圍的快速估計。

（2）運(yùn)動干涉判定

從圖2可知，設(shè)e1和e2及m1和m2為同一CC路徑上的任意兩相鄰CC點(diǎn)及CL點(diǎn)，由無干涉刀位點(diǎn)判定原則可知m1和m2均為無干涉刀位點(diǎn)，但在刀具從m1運(yùn)動到m2的過程中，刀具輪廓的包絡(luò)仍能造成運(yùn)動干涉，其干涉條件為 r1r2·n1＜ 0 或 r2r1·n2＜ 0，最大干涉量H為：

式中：v為 m1m2方向單位矢量，v=（m1m2）/|m1m2|。

據(jù)此，可在獲取刀具干涉區(qū)域的情況下實(shí)現(xiàn)對可能干涉區(qū)域的逐點(diǎn)計算。

1.2 刀具路徑規(guī)劃

在葉片精加工工序中，葉片的吸力面和壓力面均由直紋面構(gòu)成，即由空間一條直線沿曲線掃掠而成，直線是母線，曲線是導(dǎo)線，如圖4所示[10]。

圖4 葉片直紋面模型

葉片直紋面的參數(shù)方程可表示為：

式中：u為沿導(dǎo)線方向參數(shù)；v為沿母線方向參數(shù)；S（u，v）為由u和v包圍的曲面；p（u）為面蓋曲線；q（u）為軸盤曲線。

葉片精加工姿態(tài)角的確定如圖5所示。確定五軸路徑規(guī)劃中的刀具姿態(tài)角，就是針對曲面上任意一個刀觸點(diǎn)ei，計算出刀具參考點(diǎn)mi坐標(biāo)及刀軸矢量ri，刀具參考點(diǎn)mi坐標(biāo)可以表示為：

計算出曲面上任意一點(diǎn)（ui，vi）的 ri和 mi后，根據(jù)式（7），對于任意的vi，計算ui從0到1按△u變化的過程中，將一組刀具中心坐標(biāo)和刀軸矢量值作為1條刀具軌跡，然后控制ui從0到1按△v變化，得到一系列刀具路徑。該刀具路徑經(jīng)后置處理即可生成可被識別的數(shù)控代碼。

圖5 葉片精加工姿態(tài)角的確定

2 UG建模及后處理

在UG的三維圖繪制模塊，運(yùn)用圓柱體、圓臺、打孔、倒圓角、藝術(shù)樣條、拉伸、修剪、陣列等命令建立整體式葉輪模型。

2.1 切削參數(shù)的設(shè)置

根據(jù)數(shù)控加工工藝過程，確定刀具參數(shù)和加工工藝參數(shù)，分別如表1和表2所示。

表1 刀具參數(shù)

表2 加工工藝參數(shù)

2.2 UG后處理

UG后處理指在UG自動編程模塊根據(jù)設(shè)定的切削及刀具參數(shù)，生成指定機(jī)床的加工程序。由于本文對刀具無干涉加工路徑進(jìn)行了規(guī)劃，因此需要通過構(gòu)造針對該機(jī)床類型的臨時后處理器來進(jìn)行NC程序代碼的生成。其步驟為：

（1）創(chuàng)建一個新的后處理器，對后處理文件名、坐標(biāo)單位等初始參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)機(jī)床各運(yùn)動軸名稱及實(shí)際最大行程進(jìn)行配置。

（2）對程序起始序列進(jìn)行設(shè)置，包括刀具選擇、換刀類型、刀軌開始、出發(fā)點(diǎn)移動、進(jìn)刀移動等。

（3）對刀軌結(jié)束進(jìn)行設(shè)置，包括退刀移動、返回移動、回移動及刀軌結(jié)束等。

3 五軸機(jī)床建立及刀具參數(shù)設(shè)置

機(jī)床附屬關(guān)系圖如圖6所示。在“控制”選項(xiàng)中選擇配有“海德漢530”系統(tǒng)的雙轉(zhuǎn)臺式五軸聯(lián)動機(jī)床，并按圖6檢查機(jī)床附屬關(guān)系。新建雙轉(zhuǎn)臺式五軸聯(lián)動機(jī)床如圖7所示。

圖6 機(jī)床附屬關(guān)系圖

圖7 新建雙轉(zhuǎn)臺式五軸聯(lián)動機(jī)床

3.1 刀具參數(shù)的設(shè)置

在VERICUT主界面菜單欄中打開刀庫命令添加新刀具并設(shè)置刀具參數(shù)，如圖8所示，按表1設(shè)置刀具的具體參數(shù)。

圖8 設(shè)置刀具參數(shù)

3.2 刀柄的添加和移動

添加刀柄與添加新刀具的步驟相同。根據(jù)主軸設(shè)置刀柄型號為HSK 40，刀柄的直徑為50 mm，高度為100 mm。為了設(shè)置合適的刀具懸深量，將刀柄進(jìn)行+Z方向的移動，通常將刀具的裝夾長度設(shè)置為10 mm。

3.3 刀具裝夾點(diǎn)位置設(shè)置

刀具裝夾點(diǎn)位置設(shè)置如圖9所示。設(shè)置方法：①找到如圖9所示的“裝夾點(diǎn)”數(shù)據(jù)框，單擊使該數(shù)據(jù)框呈黃色。②使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖9所示刀柄上表面的中心位置，將刀柄的裝夾點(diǎn)放置在刀柄上表面的中心。

圖9 刀具裝夾點(diǎn)位置設(shè)置

4 仿真加工及檢測分析

仿真加工流程如下：

（1）導(dǎo)入夾具 在項(xiàng)目樹C軸（圖6）中找到“Attach下的Fixture”，并右擊“添加模型——模型文件”，打開包含“夾具”的文件。

（2）導(dǎo)入毛坯 使用導(dǎo)入夾具同樣的方法，在圖6中的項(xiàng)目樹“Stock”中導(dǎo)入毛坯。

（3）設(shè)置加工原點(diǎn)（G代碼偏置） 在圖6“配置G—代碼偏置”中把加工原點(diǎn)修改為從“Tool”至“坐標(biāo)原點(diǎn)”。

（4）導(dǎo)入UG后處理后的NC代碼。

（5）進(jìn)行仿真加工（在加工之前要在界面右下角勾選碰撞報警設(shè)置，如圖10所示）。

圖10 碰撞報警設(shè)置

（6）分析檢測 將使用UG繪制的零件圖導(dǎo)入圖6中的“Design”。在主界面菜單欄中選擇“分析-比較”，過切及殘留檢測分析設(shè)置如圖11所示，按照圖11進(jìn)行過切和殘留檢測。

圖11 過切及殘留檢測分析設(shè)置

過切及殘留分析檢測結(jié)果如圖12所示。圖12（a）中，深色部分表示過切，淺色部分表示殘留；圖12（b）中則無明顯的過切及殘留。該檢測分析結(jié)果驗(yàn)證了無干涉路徑規(guī)劃方法的準(zhǔn)確性。

圖12 過切及殘留分析檢測結(jié)果

將無干涉路徑規(guī)劃方法獲得的加工程序移至機(jī)床進(jìn)行切削加工，實(shí)際加工的完整工件如圖13所示。

圖13 實(shí)際加工的完整工件

5 結(jié)語

本文研究了加工干涉的判定方法，該方法可有效地判斷因加工曲面曲率小于刀具半徑和加工程序編制不當(dāng)造成的干涉問題。通過構(gòu)造臨時后處理器，在VERICUT中對無干涉路徑規(guī)劃算法進(jìn)行仿真，通過與VERICUT自動生成的加工路徑進(jìn)行對比，驗(yàn)證了本文無干涉路徑規(guī)劃算法的優(yōu)越性。