1、 5 Rossey Ginsawat， Rusli Abdullah， Mohd Zali Mohd Nor Ap-plying knowledge management system architecture in softwaremaintenance environment J Computer and Information Sci-ence， 2009， 2( 4) : 94 98 6 姬鹏宏 ， 刘洁 武器装备采办的知识管理模式探索 J 情报理论与实践 ， 2003， 26( 5) : 389 393 7 陈瑞昭 ， 卢鹏 一种基于本体的汽车维修知识管理系统 J 中国管理信化 ，
2、2009， 12( 6) : 92 94 8 刘彬 ， 莫蓉 ， 刘维伟 ， 等 航空发动机工装设计知识管理系统研究 J 航空制造技术 ， 2010( 4) : 84 86 9 储俊 ， 吉祥 通信网运维知识管理系统的研究与应用 J 电信科学 ， 2010( 11) : 123 127 10 于德介 ， 周安美 ， 郭建文 基于本体的故障诊断知识管理系统研究 J 湖南大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2011， 38( 5) : 34 39 11 龙翔 中航工业 : 依托知识管理系统推动企业效能监察 J 中国监察 ， 2011( 9) : 50第一作者 : 侯成义 ， 博士 ， 副研究员 ，
3、西北工业大学国防科技研究院 ， 710072 西安市First Author: Hou Chengyi， Doctor， Associate Researcher，Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China收稿日期 : 2011 年 10 月曲面加工中走刀路线优化李海滨 ， 张卫龙 ， 阚海明 ， 刘杰 ， 周长军西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室摘要 : 针对刀具不同走刀路线对工件加工精度影响的问题 ， 应用成组技术对曲面进行分析 ， 并阐述了曲面加工时常用的插补方法 。分析不同走刀路线对工件精度及加工效
4、率的影响 ， 优化二维与三维曲面加工 ， 正确选择刀具走刀路线的方法 ， 以更好地达到工件的加工精度及其他技术要求 。关键词 : 成组技术 ; 插补方法 ; 走刀路线 ; 精度中图分类号 : TG506 文献标志码 : ATool Path Selection in Surface MachiningLi Haibin， Zhang Weilong， Kan Haiming， Liu Jie， Zhou ChangjunAbstract: In the NC machining， the path of cutting tools have a significant impact on th
5、e accuracy and efficiency ofthe workpiece It can be studied by using group technology for surface analysis， illustrating interpolation method commonlyused during the surface processing Analyzing how different cutting tools path impact the accuracy of workpiece， and reachconclusion of how to choose t
6、ool path when processing two dimensional and three dimensional surface， in order to betterachieve accuracy requirements and other technical requirements of the workpieceKeywords: group technology; interpolation method; tool path; accuracy1 引言在数控加工中 ， 曲面加工在航天航空零件加工中较为常见 ， 其加工质量直接影响整机产品的质量及性能 1。曲面的形状各
7、异 ， 但是数控加工中的曲面大部分都是有规律可循 ， 通常是按一定的方程式生成的 。由于被加工曲面具有相似性 ， 可以将这些工件的曲面加工归类成一组 ， 在工艺方面作为一类处理 。在数控加工中 ， 刀具是如何进行加工 ， 以及刀具是如何进行进给的 ， 在本文中将得到的更深一层的诠释 。然而 ， 每个曲面的加工方法不可能是唯一的 ， 而确定哪种方法来加工 ， 取决于哪种加工方法更适合此工件的精度要求和其他技术要求 ， 即工件加工完毕后 ， 得到的各种尺寸数据更能符合图纸的要求 2。本文所选取的加工方法 ， 在满足技术要求的基础上 ， 提高曲面的加工效率 。2 成组技术成组技术 ( Group T
8、echnology， GT) 是一门工程技术科学 ， 研究如何识别和发掘生产活动中有关事物的相似性 ， 即把相似的问题归类成组 ， 寻求解决这一组问题相对统一的最优方案 ， 以取得预期的经济效益 3。在拿到加工零件图纸时 ， 应先仔细研究各个加工面 ， 利用成组技术将具有相似性或者有位置关系的面归为一类 ， 便于在加工中得到更为科学的管理化 ， 以提高加工效率 。本文只限于论述曲面的分类 。曲面以某个方向向一个平面投影 ， 如果得到的63 工 具 技 术投影是一条直线 ， 则称这个曲面为一维曲面 ， 即平面( 见图 1a) ; 曲面以某个方向向一个平面投影 ， 如果得到的投影是一条曲线 ， 而
9、不是直线 ， 则称这个曲面为二维曲面 ( 见图 1b) ; 曲面以某个方向向一个平面投影 ， 如果得到的投影是一个面 ， 而不是曲线或直线 ， 则称这个曲面为三维曲面 ( 见图 1c) 。( a) 一维曲面 ( b) 二维曲面 ( c) 三维曲面图 1 曲面划分图3 曲面加工中插补的实现在数控机床的实际加工作业中 ， 被加工工件的轮廓形状各种各样 。严格地说 ， 为了满足工件几何尺寸精度的要求 ， 刀具中心轨迹应该准确地依照工件的轮廓形状来生成 。然而 ， 对于非圆弧曲线组成的工件轮廓 ， 刀具不能严格按照要求加工的曲线或曲面运动 ， 只能用直线和圆弧轨迹逼近所要加工的曲线和曲面 。因此 ，
10、在实际应用中 ， 常常采用小段直线或圆弧进行逼近 ， 有些场合也可以用抛物线 、椭圆 、双曲线和其他高次曲线去逼近 ( 或称拟合 ) 。插补是指数据密化的过程 ， 在对数控系统输入有限坐标点 ( 例如起点 、终点 ) 的情况下 ， 计算机根据线段的特征 ( 直线 、圆弧 、椭圆等 ) ， 运用一定的算法 ， 自动地在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据 ， 即所谓数据密化 ， 从而自动地对各坐标轴进行脉冲分配 ， 完成整个线段的轨迹运行 ， 以满足加工精度的要求 3。在数控系统中 ， 常用的插补算法可分为脉冲增量插补和数字增量插补两类 ， 脉冲增量插补算法中较为成熟并广为应用的有逐点比较法 、数
11、字积分法 ( Digital Differential Analyzer， DDA) 、比较积分法等 ， 而后者主要包括直接函数法 、双 DDA 插补法 、二阶近似插补法等 。每种插补算法都有自己的优点和缺点 ， 然而每个数控系统所采用的插补原理各有不同 ， 对每种插补算法参考文献 4中有详细介绍 。数控加工中 ， 加工曲面是刀具沿着曲面按照预先设定的加工路径进行加工 ， 整个曲面的加工实现是刀具加工的多条曲线和直线的合成 ， 即曲面加工的实现是由多条直线或者曲线加工的实现合成 。刀具在加工时每次所走的增量 ， 对不同曲线类型计算方法如下文所述 。3. 1 二维曲线对曲线的隐式表示 ， 假设其
12、表达式为g( x， y， t) =0当曲线在 x、y 方向有脉冲增量时 ， 其表达式为g( x +x， y +y， t) g( x， y， t)则绝对增量为g( x +x， y +y， t) g( x， y， t) = x2+y槡2图 2 二维曲线增量如图 2 所示 ， 当曲线只在 x 或者 y 方向有脉冲增量时 ， 则绝对增量为 x 或 y， 则在加工时 ， 对各方向上的走刀量分配按照数控系统所采用的插补原理进行 ， 可以看出 ， 当 x =0 或者 y =0 时 ， 数控系统的计算量比当 x0 或者 y0 时小得多 ， 即 x或者 y 方向有一个方向的增量为 0， 则数控系统可以节约更多的
13、空间来安排别的运算 ， 这样可以提高数控机床的实时加工性 。因为数控机床中数控系统的运算处理器级别都比较低 ， 所以插补计算节省出来的空间是很值得关注 。3. 2 三维曲线对曲线的隐式表示 ， 假设其表达式为g( x， y， z， t) =0当曲线在 x、y、z 方向有脉冲增量时 ， 其表达式为g( x +x， y +y， z +z) g( x， y， z)则绝对增量为g( x +x， y +y， z +z， t) g( x， y， z， t) = x2+y2+z槡2图 3 三维曲线增量当曲线只在 x、y、z 轴中某两个方向或者单一方向有脉冲增量时 ( 见图 3) ， 则其绝对增量转化为二维曲
14、线类型 ， 则其绝对增量上文已述 ， 在三维曲线中 ， 当各轴上都有增量时 ， 其 绝 对 增 量 为x2+y2+z槡2， 数控机床中的数控系统的运算量更大 。732012 年第 46 卷 No24 走刀路线在数控加工中 ， 刀具 ( 严格说是刀位点 ) 相对于工件的运动轨迹和方向称为加工路径 ， 即刀具从刀位点开始运动起 ， 直至结束加工程序所经过的路径 ，包括切削加工的路径及刀具引入 、返回等非切削空行程 。走刀路线是刀具在整个加工工序中相对于工件的运动轨迹 ， 不但包括了工序的内容 ， 而且也反映了工序的顺序 。确定加工路线时 ， 首先必须保证加工零件的尺寸精度和表面质量 ， 其次应该考
15、虑数值计算简单 、走刀路线尽量短 、效率尽量高等 4。数控加工中 ， 走刀路线主要分为行切法路线和环切法路线两种 。刀具与零件轮廓的切点轨迹是行与行并列的 ， 而行间的距离是按零件加工精度的要求确定的 ， 此为行切法路线 ( 见图 4a、4b、4c) 。刀具与零件轮廓的切点轨迹是一圈一圈的 ， 此为环切法路经 ( 见图 4d) 。( a) 行切 ( b) 行切( c) 行切 ( d) 环切图 4 走刀线路图4. 1 二维曲面的走刀路线在加工二维曲面时 ， 如果是粗加工阶段或者是工件表面光洁度要求不高的情况下 ， 可使用如图 4a所示的加工路线 。此路线可大大提高机床本身的实时性 ， 如上文所述
16、 ， 此种加工路线中在两个方向上的增量均为零 ， 则使每次的脉冲增量直接分配到一个轴上 ， 大大减少了数控系统的运算量 ， 由此在很大程度上提高了数控系统的运算效率 ， 加工中可以在更大程度上提高刀具的走刀速度 ， 同时也提高了机床的加工效率 。但是在此种方法加工后 ， 工件的曲面上有按行行进的刀痕 ， 曲面的表面精度较低 。所以在粗加工阶段或者是工件表面光洁度要求不高的情况时 ， 选择该数控加工路线可提高加工效率 。图 4a 的加工路线很大程度上提高了机床的加工速度 ， 节约了时间 ， 但是由于在加工完一道线路后 ， 在加工下一道路线的时候 ， 在两道路线的转换处 ， 就会出现或多或少的尺寸
17、误差 ， 此误差为残余高度 ， 即数控加工中相邻刀轨间所残留的未加工区域的高度 ， 它的大小决定了所加工表面的粗糙度 ， 同时也决定了后续的抛光工作量 ， 是评价加工质量的一个重要指标 5。误差的产生主要是由机床的定位精度误差和反向误差的作用引起 ， 定位精度误差是数控机床运动部件实际上走的位置与机床运动部件理论位置的偏差 。反向误差是机床在转变运行方向后实际运行的距离与机床理论上运行的偏差 。如果是粗加工阶段或者是工件表面光洁度要求不高的情况下 ， 定位精度误差和反向误差如果很小 ， 则可以忽略 ， 但在精加工中应该重视 。如果工件的精度很高 ， 在加工中应采用如图 4b 所示的加工路线 ，
18、 此种路线可以在很大程度上提高加工精度 ， 在刀具进行加工的过程中 ， 每次的加工增量被分配到两个轴上 ， 使每个脉冲增量得到了更加细微的分配 ， 其每个轴上的分配原则由数控系统所采用的插补方法所决定 。由于每次的脉冲增量被分配到了两个轴上 ， 同时增大的机床的运算 ， 使数控系统的运算量增大 ， 降低了机床的实时性 ， 在加工时应适当降低运动部件的运行速度 ， 以保障机床加工的正常进行 。在精加工时 ， 在相互平行的线路中 ， 可适当进行干涉加工及顺铣 6， 有效提高工件加工精度 。由于图 4b 的加工线路是沿着曲面的曲线 ， 在曲面的加工效果上 ， 曲线的连续性得到了更大的保障 ， 以及在
19、加工中引入干涉加工方法 ， 在加工完成的曲面上 ， 刀痕在曲面上很少见 ， 则表明曲面的精度得到了更大的提高 。4. 2 三维曲面走刀线路三维曲面的加工与二维曲面的加工有所不同 ，三维曲面无论是按行切法 ( 见图 4c) 还是环切法 ( 见图 4d) 加工路线加工工件 ， 每次每个脉冲增量都被不同程度地分配到了两个轴上 ， 如插补运算中采用DDA 插补算法 ， 其绝对增量的计算如图 3 所示 ， 其计算量很明显比图 3 二维曲面的绝对增量的运算复杂很多 。总体上说 ， 三维曲面的加工都要比二维曲面的加工量大 。三维曲面中的行切法 ( 见图 4c) 相对于环切法( 见图 4d) 而言 ， 其走刀
20、路线的长度相对减少了很多 ， 所以在加工时间量方面就要比环切法减少了很83 工 具 技 术多 ， 也就是说其加工速度很快 ， 但是此方法加工出来的曲面精度较低 ， 工件表面会不同程度地留下刀具加工留下的刀痕 ， 如果是粗加工阶段或者是工件表面光洁度要求不高的情况下 ， 使用此方法可提高加工效率 。三维曲面中的环切法相对于行切法而言 ， 其走刀路线增加了很多 。相对来说 ， 在加工同一件工件时 ， 环切法所用的加工时间比行切法所用的加工时间要更多 ， 因为在保证工件精度的前提下 ， 在用环切法加工时 ， 也应当引入适当地进行干涉加工及顺铣 ，以提高机床的定位精度和机床本身的精度 ， 以及减少机床
21、的反向误差 ， 这些因素是获得高精度的工件不可缺少的 。环切法加工出来工件的精度更高 ， 在加工薄壁曲面方面尤为明显 。例如 ， 在加工叶片工件时 ， 为了达到更高的工件精度 ， 采用的加工路线则应该是从里至外的环切法加工 。在加工叶片时 ， 如采用行切法 ， 当叶片一个方向上的壁减薄 ， 而不是整个叶片面上的均匀减薄 ， 会导致叶片上的内应力不平衡 ， 引起工件由于内应力而产生变形 ， 降低工件的精度 。如使用环行线路加工 ， 由于加工时工件内部的应力不均匀而引起的加工误差则可以降到最低 。此加工方法已在某生产线上应用 ， 效果很理想 。此外 ， 曲面的加工应避免不必要的停顿 。因为在加工过
22、程中 ， 切削力会使工艺系统产生弹性变形并处于相对平衡状态 ， 进给停顿时 ， 切削力突然减小会改变系统的平衡状态 ， 刀具会在停顿处的工件表面上留下刻痕 。为提高工件表面精度和减小表面粗糙度 ， 也可以采用多次走刀的方法 。5 结语曲面加工方式的选择和走刀路径的合理规划是一项非常复杂的工作 ， 本文首先论述数控机床所采用的常用插补计算方法 ， 拓展到分析在数控加工二维 、三维曲线时 ， 脉冲当量在不同走刀路线情况下在进给轴方向的分配 ， 由此提出在数控加工曲面时加工路线选择问题 。最后分别论述了在加工二维 、三维曲面的情况下 ， 提高加工效率和提高加工精度为目的的加工路线选择 。本文不仅在理
23、论上阐述了其原理 ， 对数控加工走刀路线的选择有一定的指导意义 ， 在现实中能更好地指导生产 。参考文献 1 卢红 ， 王三武 ， 黄继雄 数控技术 M 北京 : 机械工业出版社 ， 2010 2 缪德建 ， 王令其 ， 顾雪艳 CAM 中曲面加工方法的选择 M 机械设计与制造 ， 2001: 16 17 3 阎光明 ， 侯忠滨 ， 张云鹏 现代制造工艺基础 M 西安 :西北工业大学出版社 ， 2007 4 Elber G， Cohen E Toolpath generation for free form surfacesmodels J Computer Aided Design， 199
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25、tegratedManufacturing， Northwestern Polytechnic University， Xian710072， China工信部将制定和修订重点行业产业政策2 月 1 日 求是 杂志发表工信部部长苗圩文章 加快推进工业转型升级 ， 在文中苗圩指出要努力营造有利于工业转型升级的环境 。工业转型升级能否取得实效 ， 关键在于完善政策法规和体制机制 ， 健全转型升级长效机制 ， 努力营造有利于工业转型升级的制度环境 。健全相关法律法规 。要围绕转型升级重点任务 ， 在产业科技创新 、技术改造 、节能减排 、兼并重组 、淘汰落后产能 、质量安全 、中小企业 、军民融合等
26、重点领域 ， 制定与完善相关法律法规 ， 加强民用飞机 、软件 、集成电路 、新能源汽车 、船舶 、高端装备 、新材料等战略性基础性产业发展的法律保障 。加强政策引导和财税支持 。要制定和修订重点行业产业政策 ， 抓紧制定新兴领域产业政策 ， 加强产业政策和财税 、金融 、贸易等政策的协调配合 ， 研究制定针对特定地区的差异化产业政策 ， 制定发布重点领域产业发展指导目录和产业转移指导目录 。当前 ， 特别要着力落实相关财税政策 ， 在消费信贷 、小微企业融资担保 、企业兼并重组等领域加强和改进金融服务 ， 推进中小企业服务体系建设 。深化体制机制改革 。加快转变政府职能 ， 不断创新工业管理方式和手段 ， 更好地发挥市场在资源配置中的基础性作用 。加快推进垄断行业改革 ， 形成平等准入 、公平竞争的市场环境 。健全国有资本有进有退 、合理流动机制 ， 促进国有资本向关系国家安全和国民经济命脉的重要行业和领域集中 。完善投资体制机制 ， 落实民间投资进入相关重点领域的政策 。落实企业境外投资自主权 ， 支持国内优势企业开展国际化经营 。932012 年第 46 卷 No2
