大型雕塑零件的數(shù)控加工是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)，如大型水輪機(jī)葉片、螺旋槳葉片等是由多張雕塑曲面組成的封閉曲面體零件，其加工面積從幾平方米到數(shù)十平方米。采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工是目前最有效的加工方法，但是通用CAD/CAM軟件并不能完全或者很好地解決這類復(fù)雜雕塑曲面零件的五軸聯(lián)動(dòng)加工編程問題[1]。大型雕塑曲面零件的數(shù)控加工編程是實(shí)現(xiàn)其數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]，它涉及加工工藝規(guī)劃、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)、計(jì)算幾何、微分幾何、人工智能等眾多學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，其數(shù)控編程過程是一個(gè)數(shù)字化仿真評(píng)價(jià)及優(yōu)化的過程。雕塑曲面零件的數(shù)控編程是在幾何造型和加工工藝規(guī)劃的基礎(chǔ)上，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行刀位軌跡計(jì)算、仿真、優(yōu)化并驗(yàn)證加工過程，以有效地生成滿足五軸聯(lián)動(dòng)加工要求的高質(zhì)量數(shù)控加工程序。大型雕塑曲面零件數(shù)控加工編程涉及多方面的技術(shù)，其關(guān)鍵技術(shù)包括[1-5]：①雕塑曲面的三維幾何造型;②根據(jù)零件上各張雕塑曲面的性態(tài)，合理地進(jìn)行刀位軌跡規(guī)劃和計(jì)算;③切削仿真與u刀具/u干涉檢驗(yàn);④機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真與碰撞干涉檢驗(yàn);⑤機(jī)床運(yùn)動(dòng)的后置變換;
2.大型雕塑曲面零件數(shù)控加工編程的流程大型雕塑曲面零件的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工編程比一般零件加工編程復(fù)雜得多，主要采用離線編程方式。為了保證數(shù)控加工程序的可靠性，一般采用針對(duì)具體的加工對(duì)象特點(diǎn)和要求，在通用的CAM軟件進(jìn)行二次開發(fā)來完成刀位軌跡計(jì)算、切削仿真與機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真。各具體的雕塑曲面零件雖然有獨(dú)自的特點(diǎn)，但是這類零件的數(shù)控加工中編程過程基本一致。以大型葉片類零件為例[2]，我們?cè)赟DRC/Camandreg;軟件上進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)的的編程過程如圖1所示。
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3.大型雕塑曲面五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的刀位軌跡生成
五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的刀位軌跡計(jì)算是大型雕塑曲面零件加工中一個(gè)很重要的問題，為了獲得好的表面質(zhì)量和高的加工效率，要求在零件上不同區(qū)域的曲面形狀需要采取與之相適應(yīng)的加工方式。高質(zhì)量的刀具軌跡生成方法除應(yīng)保證編程精度和無干涉外，同時(shí)應(yīng)滿足通用性好、加工效率高、代碼量小等等條件。對(duì)于雕塑曲面的多軸聯(lián)動(dòng)端銑加工，均采用行切加工方式，各種行切加工方式均可歸結(jié)為曲面上曲線的加工問題，這樣就提出了如何根據(jù)加工的曲面生成正確的刀位軌跡的問題。由曲面模型生成無干涉刀位數(shù)據(jù)主要有以下幾種方法：#129;曲面模型→無干涉CC數(shù)據(jù)→CL數(shù)據(jù);曲面模型→多面體模型→CL數(shù)據(jù);#402;曲面模型→偏置面模型→CL數(shù)據(jù);#8222;曲面模型→CC數(shù)據(jù)→無干涉CL數(shù)據(jù)。經(jīng)分析，在大型雕塑曲面的五軸聯(lián)動(dòng)加工中一般采用第#8222;種方法生成刀位數(shù)據(jù)，其刀位數(shù)據(jù)的生成過程如圖2所示的流程。
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3.1五軸聯(lián)動(dòng)加工的刀位軌跡規(guī)劃
針對(duì)雕塑曲面零件的各張曲面的特點(diǎn)，進(jìn)行合理的刀位軌跡規(guī)劃和計(jì)算，是在保證加工質(zhì)量要求的前提下高效率加工出大型零件關(guān)鍵的技術(shù)之一。如大型葉片數(shù)控加工的刀位軌跡規(guī)劃中，首先應(yīng)考慮葉片的流體動(dòng)力特性，確定和優(yōu)化走刀路徑。第二步應(yīng)根據(jù)葉片曲面幾何設(shè)計(jì)要求，控制和合理分配誤差[3]，采用適合各曲面的刀具幾何形狀和參數(shù)，合理確定走刀步長(zhǎng)和走刀行距計(jì)算出刀具切觸(CC)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。大型曲面加工可采用等殘余高度規(guī)劃法搜索計(jì)算相鄰的CC軌跡，完成走刀行距計(jì)算。在大型雕塑曲面的刀位軌跡規(guī)劃中既要嚴(yán)格控制加工誤差，又要盡可能提高加工效率。目前的CNC系統(tǒng)在五軸聯(lián)動(dòng)控制時(shí)一般只有線性插補(bǔ)功能，而五軸聯(lián)動(dòng)加工的各軸的聯(lián)動(dòng)規(guī)律是復(fù)雜的非線性關(guān)系，在CAM系統(tǒng)中，由弦弓高誤差來近似確定加工誤差和進(jìn)給步長(zhǎng)，而沒有考慮回轉(zhuǎn)軸的擺動(dòng)長(zhǎng)度對(duì)加工誤差的影響[3]。另外在大型葉片加工中，回轉(zhuǎn)軸的擺動(dòng)長(zhǎng)度一般都相對(duì)較大，這些非線性誤差對(duì)大型雕塑曲面加工加工尤為重要[3]，可采用考慮三維非線性誤差來計(jì)算走刀步長(zhǎng)[2]。第三步，應(yīng)根據(jù)各曲面的曲率分布情況，確定合理的刀軸控制方式等，計(jì)算刀軸矢量，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)刀位軌跡計(jì)算。
3.2五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的刀軸矢量計(jì)算在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工曲面的過程中，刀軸矢量是由定義在刀位軌跡上的局部坐標(biāo)系(Frenet坐標(biāo)架)的λL(后跟角)和ωL(擺轉(zhuǎn)角)兩個(gè)角度來確定[2]。當(dāng)λL=ωL=0時(shí)，為刀具軸垂在于表面的端銑方式，當(dāng)ωL=90°時(shí)，為刀具軸平行于加工表面的側(cè)銑方式。刀軸控制方式是影響五軸聯(lián)動(dòng)加工效果的一個(gè)重要因素，其確定原則是獲得高的切削效率，同時(shí)考慮加工中可能存在的刀具干涉現(xiàn)象。另外，它對(duì)于刀具的切削壽命、機(jī)床的受力狀況等都有影響。五軸聯(lián)動(dòng)加工中刀軸控制的最高境界是具有隨曲面變化的自適應(yīng)能力，在避免干涉的前提下獲得最佳的加工效果。由于問題的復(fù)雜性，目前的CAM系統(tǒng)中一般在五軸聯(lián)動(dòng)端銑加工方式提供了Sturz方法，即人工輸入固定傾角，如何確定這兩個(gè)角度便成為雕塑曲面的五軸聯(lián)動(dòng)加工刀位軌跡計(jì)算的關(guān)鍵問題。
在雕塑曲面零件的五軸聯(lián)動(dòng)加工刀位計(jì)算時(shí)，根據(jù)各張曲面加工的特點(diǎn)，確定其控制刀軸的姿態(tài)的兩個(gè)角度。實(shí)際加工表明，λL和ωL值太大，不僅降低加工效率，而且惡化了刀具的切削條件。對(duì)于小曲率的曲面，采用大直徑面銑刀，一般只需要調(diào)整λL即可。因此在實(shí)際工程中，為了提高計(jì)算效率，在確定刀軸矢量的時(shí)候，可以先不考慮刀桿與整個(gè)零件曲面的干涉(碰撞)情況而只考慮刀盤底面與加工點(diǎn)附近局部加工表面的干涉(啃切)情況，其λL可以按如下的簡(jiǎn)化方法計(jì)算確定[2]。
將通用加工刀具的刀具模型簡(jiǎn)化為半徑等于有效刀具半徑為Re=R1+R2sinλL的端銑刀，設(shè)加工表面的微分幾何結(jié)構(gòu)為凹橢圓點(diǎn)表面(即加工表面的主曲率K1和K2都大于零)，銑刀與加工表面切觸于CC點(diǎn)，在CC點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系，設(shè)Kb和Kf分別為加工表面在CC點(diǎn)處沿b方向和f方向的法曲率。取Kε=max(Kf,Kb)，通過推導(dǎo)分析，要刀盤與切觸點(diǎn)微區(qū)域間的不干涉，刀具的后跟角應(yīng)滿足：
sinλLRKεRε(1)由于刀具的有效切削半徑Rε是隨的λL變化而變化，并取：
λL=arcsin(KεRε)+2°(2)
根據(jù)加工表面的曲率計(jì)算分析[2]確定曲面的局部性態(tài)，在凹橢圓點(diǎn)外，雙曲點(diǎn)、凹拋物點(diǎn)可按上式計(jì)算，對(duì)于凸拋物點(diǎn)和凸橢圓點(diǎn)，取：λL=2°即可。
4.大型雕塑曲面的數(shù)控加工仿真由于大型雕塑曲面零件的形狀復(fù)雜，盡管在數(shù)控編程時(shí)對(duì)各張曲面造型、工藝規(guī)劃、刀位規(guī)劃、后置處理等方面都作了非常仔細(xì)工作，但仍不能確保所生成的數(shù)控加工程序不存在任何問題。其中可能發(fā)生的問題有：加工過程中的過切與欠切、刀桿和聯(lián)接系統(tǒng)與零件、機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件與零件和夾具間的干涉碰撞，以及加工過程中切削刀具的過負(fù)荷等。在大型雕塑曲面零件數(shù)控加工過程中，這些問題常常是致命的，將損壞機(jī)床、刀具和工件，從而造成巨大的損失。因此，在加工刀位軌跡或者程序生成后，必須對(duì)其正確性進(jìn)行檢驗(yàn)，并針對(duì)其存在的問題進(jìn)行修改，直到形成合格的零件程序。對(duì)于大型雕塑曲面零件加工，包括切削過程的幾何仿真和機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真。首先進(jìn)行切削過程仿真，檢查加工過程中葉片的過切與欠切。為了機(jī)床和葉片的安全，進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真以防機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件碰撞和刀桿干涉等是非常必須的。如仿真中發(fā)現(xiàn)碰撞和干涉，必須修改加工方案或者加工方法。大型雕塑曲面零件數(shù)控加工是一個(gè)非常復(fù)雜的工藝過程，通過在計(jì)算機(jī)上的仿真加工，可以反復(fù)修改完善尋求合理的加工工藝規(guī)劃，優(yōu)化加工方案，優(yōu)化刀具的幾何參數(shù)和切削參數(shù)等。
數(shù)控加工仿真技術(shù)是將葉片的真實(shí)加工過程在虛擬加工環(huán)境中進(jìn)行映射，首先要求對(duì)采用的數(shù)控機(jī)床、加工刀具、零件毛坯及夾具等真實(shí)的加工環(huán)境進(jìn)行映射構(gòu)造出仿真(虛擬的)加工環(huán)境。數(shù)控加工仿真是通過軟件模擬加工環(huán)境、刀具路徑和材料切除過程，從而達(dá)到模擬數(shù)控加工過程的目的。在我們開發(fā)的大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)中，考慮到葉片五軸聯(lián)動(dòng)加工計(jì)算的復(fù)雜性及工程實(shí)際要求加工過程仿真計(jì)算的高可靠性。在SDRC/Camandreg;和CGtech/Vericutreg;上進(jìn)行開發(fā)來實(shí)現(xiàn)大型水輪機(jī)葉片加工過程仿真功能要求，并且實(shí)現(xiàn)刀位軌跡計(jì)算與加工過程仿真的集成。刀位軌跡生成后可直接進(jìn)行加工過程的幾何仿真。該仿真系統(tǒng)的功能如圖2所示，在該仿真環(huán)境中，采用數(shù)值算法獲取加工過程中機(jī)床、刀具和零件的關(guān)鍵幾何信息，通過對(duì)刀位(CL-Data)文件或者NC程序的翻譯，提取出加工過程運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)指令，根據(jù)給定的時(shí)間系列間隔，生成刀具掃描體，通過刀具掃描體與零件模型運(yùn)算來反映零件的切削過程。通過該仿真系統(tǒng)可以反復(fù)修改完善尋求合理加工工藝規(guī)劃，優(yōu)化加工方案，優(yōu)化刀具的幾何參數(shù)和切削參數(shù)等，這已成為工程實(shí)際大型葉片數(shù)控加工編程過程中檢驗(yàn)程序和優(yōu)化加工方案必不可少的手段。如圖3是對(duì)一大型混流式水輪機(jī)葉片進(jìn)行切削仿真，如圖4是對(duì)一大型軸流式水輪機(jī)葉片進(jìn)行切機(jī)床運(yùn)動(dòng)碰撞干涉檢驗(yàn)仿真，仿真在大型龍門移動(dòng)式數(shù)控加工中心上加工。
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5.機(jī)床運(yùn)動(dòng)的后置變換
五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工后置處理是雕塑曲面零件數(shù)控加工編程技術(shù)的一個(gè)重要內(nèi)容，它將前述生成的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合于具體機(jī)床的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和數(shù)控加工程序。其關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容包括：機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與求解、機(jī)床結(jié)構(gòu)誤差補(bǔ)償、機(jī)床運(yùn)動(dòng)非線性誤差校核修正、機(jī)床運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性校核修正、進(jìn)給速度校核修正及代碼轉(zhuǎn)換等。因此，有效的后置處理對(duì)于保證葉片的加工質(zhì)量、效率與機(jī)床可靠運(yùn)行具有重要作用。需要說明的是我們采用的大型龍門移動(dòng)式數(shù)控加工中心為90年代初的德國(guó)產(chǎn)品，配置的Sinumerik880MCNC數(shù)控系統(tǒng)沒有G93(恒表面進(jìn)給速度)指令，對(duì)于五軸聯(lián)動(dòng)加工出的曲面表面質(zhì)量有較為嚴(yán)重的影響。根據(jù)表面切削進(jìn)給速度是機(jī)床各軸運(yùn)動(dòng)合成的結(jié)果的原理，通過后置計(jì)算進(jìn)行處理使該問題得到了解決。
6.大型雕塑曲面零件數(shù)控加工實(shí)例CENTER/CENTER
以大型水輪機(jī)葉片的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工為例，在考慮加工要求進(jìn)行葉片曲面幾何造型的基礎(chǔ)上，結(jié)合前述的理論研究在SDRC/Camandreg;軟件進(jìn)行開發(fā)，我們實(shí)現(xiàn)大型葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的刀位軌跡計(jì)算和加工仿真，并已作為大型葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的編程工具并用于多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際加工中。如圖5為三峽電站水輪機(jī)葉片數(shù)控加工。該混流式轉(zhuǎn)輪的喉部直徑為φ9.8m、重量為460000kg，是目前世界上最大的混流式轉(zhuǎn)輪。葉片是典型的“X”型混流式葉片，葉片的最小包容體為：5500(長(zhǎng))acute;4650(寬)acute;1900(高)mm，每個(gè)葉片毛坯重量約29000kg左右，葉片精加工后重量為18700kg，每個(gè)葉片的加工面積為40.2m2。采用φ250mm曲面面銑刀進(jìn)行粗銑、φ160mm曲面面銑刀進(jìn)行半精銑和精銑葉片的正、背面。采用五軸等殘余高度加工方式加工葉片正、背面。在同樣精度要求下，通過計(jì)算比較，采用等殘余高度計(jì)算比采用CAM中的等參數(shù)法的刀位軌跡總長(zhǎng)減少近15%，大大地提高了加工效率。
7.結(jié)束語(yǔ)大型雕塑曲面零件在發(fā)電u設(shè)備/u、汽車、飛機(jī)、模具等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，其數(shù)控加工編程是這類零件制造中的難點(diǎn)問題之一。本文針對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)加工大型雕塑曲面零件的數(shù)控編程過程、合理的刀位軌跡規(guī)劃及計(jì)算、切削仿真、機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真、后置變換等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究開發(fā)。針對(duì)大型雕塑曲面加工中既要嚴(yán)格控制加工誤差，又要盡可能提高加工效率，提出在計(jì)算五軸聯(lián)動(dòng)加工刀位時(shí)采用等殘余高度刀位規(guī)劃，并考慮三維非線性誤差來計(jì)算走刀步長(zhǎng)的刀位軌跡生成策略。分析和確定了大型雕塑曲面零件五軸聯(lián)動(dòng)加工中的刀軸控制給定和計(jì)算方法。結(jié)合大型水輪機(jī)葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)要求，在SDRC/Camandreg;上進(jìn)行開發(fā)，構(gòu)造葉片數(shù)控加工仿真的編程環(huán)境，實(shí)現(xiàn)大型轉(zhuǎn)輪葉片的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的刀位軌跡計(jì)算和加工仿真。已作為大型水輪機(jī)葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的編程工具用于實(shí)際生產(chǎn)中。(
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