数控车削加工刀具干涉处理的算法研究
在数控自动编程系统中，刀具轨迹的自动生成中存在刀具角度的干涉处理问题。本文针对数控车削加工中的刀具角度干涉，提出了刀具角度干涉处理的算法，经实际应用检验，效果良好。
1 刀具干涉处理前的零件图预处理
按数控车削加工的零件特征，可将零件分为：外(内)表面、倒角、退刀槽及螺纹。由于车削加工的特点，在刀具干涉处理中将退刀槽及螺纹先用外表面代替，从而对零件加工时的刀具干涉处理，只需考虑表面加工时的刀具干涉。
2 刀具干涉处理算法
通过对零件图进行干涉前预处理，此时被加工的零件轮廓由直线和圆弧组成，因此数控车削加工时刀具干涉处理仅仅是对直线和圆弧加工时的干涉处理。
为减少多次安装带来的安装误差，数控加工中一般采用一次装夹。对那些需要调头加工的部位则采取右偏刀反向走刀切削，对反向走刀切削的刀具干涉处理算法与正向切削时类似。此外对内表面加工时刀具干涉处理的算法与外表面切削时也相类似。因此本文拟就对正向切削外表面时的刀具干涉处理的算法加以讨论。
如图1,零件轮廓如为直线则用有向线段表示，如为过象限圆弧，则将其分解。刀具为左偏刀，刀具副切削刃与z坐标轴的夹角为α,β为零件轮廓直线与z坐标轴的夹角，如图2。
图1 图2
1) 切削直线时的刀具干涉处理算法
如图2,当β≤α时，刀具切削加工时无干涉。
当β>α时，如图2中线段C，该刀具加工到此处时将留下图中阴影的残留部分。为切出残留部分，可通过改变刀具角度，或者通过反向走刀切削切除。为减少更换刀具次数和统一刀具干涉处理的算法，本算法采用反向走刀的方法切除其残留部分。如图2中，将其线段C转化为角度为α的直线C，对残留部分在下一工步采用右偏刀切削，切削的起刀点定位在图中Q点，刀具的轨迹为QDC，C为终点。经过正反向切削即可加工出零件图的轮廓形状。
2) 切削圆弧时的刀具干涉处理算法
当零件轮廓为第Ⅰ象限圆弧时，刀具切削该圆弧时无干涉。
零件轮廓为第Ⅱ象限圆弧时，随零件轮廓圆弧的起点与终点的位置不同，切削时有可能产生刀具干涉。如图3(a)，作角度为α的直线L与圆弧C相切，其切点为T，当被切削圆弧的起点位于切点T的左边时则存在干涉．将圆弧C分解为圆弧C‘和C”。切削C’时将不会产生干涉，而切削C”时将产生干涉，为此将圆弧C”用其切线TP代替，同时增加辅助线PD(PD为过本段圆弧终点与切线相交的垂线)，增加此辅助线的目的是为算法实现的方便．在后续的处理中，对此段圆弧用切线代替后的处理如同上述对直线的处理。同样对该辅助线处理也转化为上述对直线的处理。
(a) (b) (c)
图3
当零件轮廓为第Ⅲ象限时，切削时刀具无干涉。
零件轮廓为第Ⅳ象限时，切削加工视刀具角度的不同有可能产生严重的干涉。如图3(b)，过圆弧的起点作角度为α的直线L，求直线与圆弧的交点，如交点存在，交点左侧切削无干涉，而右侧切削有干涉。将圆弧在交点处截断，将右侧的圆弧转化为角度α的直线L。如交点不在该圆弧上，则将圆弧转化为角度为α的直线L，同时过圆弧终点作垂直辅助线，如图3(c)。其残留部分的处理同上所述通过反向切削时切除。
3 算法实现
根据上述的算法原理，通过对零件图特征的分析，在算法实现的程序设计中对刀具干涉的处理，可分为如下三种情况：
·直线与直线相连接；
·直线与圆弧相连接；
·圆弧。
1） 直线与直线相连接的处理．如切削直线时存在刀具干涉，如图4(a),则将该直线用角度为α的直线L代替，同时求该直线与后续直线的交点．如有交点，则在交点处将直线截断，交点的右部分直线转化为角度为α的直线．如无交点或交点不在直线上，则下一直线也转化为角度α的直线．其终点的z坐标为该线段的z坐标，同时增加垂直辅助线，如图4(b)。
2）当直线接第Ⅰ象限圆弧时，刀具切削圆弧时无干涉，但如切削直线有干涉存在，将直线转化为角度为α的直线L如图5(a)。则圆弧的起点被修改为直线L与该圆弧的交点。如无交点则表明该段圆弧位于该直线下，此时将该圆弧也转化为角度为α的直线，其终点z坐标为该圆弧的终点的z坐标。如图5(b)所示(从结构工艺性考虑，设计时应避免这种结构)。
3）当直线接第Ⅱ象限圆弧时，此时刀具切削直线和圆弧都有可能干涉。如刀具切削直线有干涉存在，其处理算法同本段第1节所述。如与直线相接的后续圆弧也存在刀具干涉，则将该圆弧转化为角度为α的直线，其处理的算法同本段第2节所述。
4）当直线接第Ⅲ象限圆弧时，刀具切削圆弧时无干涉，但如切削直线有干涉存在，其处理算法同本段第2节所述。
5）当直线接第Ⅳ象限圆弧时，此时刀具切削直线有可能干涉。切削圆弧也有可能干涉。如该直线加工时有干涉，其处理的算法同切削直线时的算法。对圆弧切削时的干涉处理，其算法同上述圆弧切削的算法。
6）算法框图
图6
4 结语
1）本算法稳定，可靠。能应用于数控车削加工的自动编程系统。
2）根据本文所述的算法，在加工某些形状的零件时，必要时需经过反复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，因此对于因刀具角度而产生的欠切削残留的较小余量，可暂不考虑，在精加工或半精加工时处理。精加工时因刀具切削条件的改善，产生刀具干涉的几率相对要小得多。
3）在进行反向切削时，刀具的起刀点处有可能产生干涉，此时应考虑因刀头尺寸较大而产生干涉。
4）本文所讨论的算法与毛坯轮廓形状无关，适用于各种形状的毛坯。
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