曲面加工数控系统分析与研究*

邓中华

(长沙航空职业技术学院，长沙 410124)

曲面加工数控系统分析与研究*

邓中华

(长沙航空职业技术学院，长沙 410124)

计算机数控技术是通过数字信息技术及工作过程控制技术对机械运动进行控制，其关键技术为逆向数字处理工程，该工程对后续模型重建的难易程度及准确性具有决定性作用。为了提高机械加工速度及加工精度，文中分析了目前计算机数控装置可加工的复杂曲面，并对自动控制系统进行分析研究，该研究在一定程度上提高了计算机数控系统的加工速度、加工精度及加工效率，对优化机械加工控制系统具有一定指导意义。

自动控制；计算机数控加工；控制工程

0 引言

随着科技的不断发展，各种高附加值产品的光学组件已经转向具有微结构特点、非回转对称的复杂自由曲面光学元件，它们是光电信息技术和光通讯不可缺少的关键元件。而该技术在我国尚不成熟，非球面加工的难题一直困扰中国光学工业的发展。为此，本文以曲面数控加工系统为切入点，对曲面加工进行研究分析。计算机数控加工工艺设计作为数控程序设计的核心部分，只有将其科学的融入数控程序设计，计算机数控加工才能达到高质量、高水平要求[1]。计算机数控技术是一项改进工艺，其目的是确定加工方法、设计加工程序等。计算机数控技术主要包括选择加工程序，确定加工工序和加工路线，确定夹紧方式，选择合适机床、切割参数及热处理、附加工艺等；同时，充分考虑计算机数控机床使用功能，发挥数控机床的性能，尽可能选择最短加工路线[2]。

1 复杂曲面加工定位

自由曲面作为一种不规则的复杂非旋转曲面，难以通过数学表达式进行准确描述，通常采用大量离散数据点进行描述[3]。对于每一个数据点，均存在一个最大曲率面和最小曲率面。用k1表示最大主曲率，k2表示最小主曲率，根据高斯曲率K和平均曲率H可得主曲率[4]：

由高斯曲率K和平均曲率H，可确定曲面的8个参数：峰面、脊面、鞍脊、平面、极小面、凹面、谷面和鞍谷[5]。最大主曲率k1和最小主曲率k2的乘积称为曲面于该点的高斯曲率，其反映了曲面于两点之间的弯曲程度。加工曲面时应在高斯曲率较大的临界值处进行，首先需定位安装，安装时必须保证定位余量均匀；其次尽量减少复杂加工表面的加工工作量，以提高复杂曲面的加工效率[6]。

曲面匹配实际上是空间校准工艺中同一曲面在两个不同坐标系中的两种表示方式[7]。三轴加工的粗糙底面作为底面加工的粗定位基准，由于铸造过程中模具的加工误差，导致底面加工存在加工误差和定位误差[8]，如图1所示。同时，铸造模具曲面变形，导致加工时，模具曲面余量未被平均分配，形成了多个加工空行程，浪费加工工时。

图1 定位变量变化

曲面模具数控加工占据了数控加工的大量时间，因此应确保模具表面和加工变量的一致性，以提高数控加工机床的加工效率，定位须充分考虑安装曲面和底面的有限性，以确保加工曲面具有足够的加工余量。模具铸造时，铸造数据应在图中变量基础上保留偏移量。对于被加工的复杂曲面，铸造数据沿曲面法线偏移，该曲面法线为沿z向位移获得的复杂变量线。

对于机床床身、立柱、加工台、横梁、箱体及底座，机床结构具有空间基准线结构和空间力系载体两个特点。机床可在静态和动态介质中直接或间接地产生各种作用力，如切削力、重力、摩擦力、夹紧力、惯性力和冲击振动干扰力。机床设计中，通常将各种力概括为静力和动力，并对静刚度和动刚度进行研究。高速精密机床虽然有大加工台、重型、体积大等特点，但应充分考虑冲击和振动干扰力。对于高精度的机床，由于工作过程中会产生大量切削热，因此，需考虑加工台的热变形。因此，加工定位需对加工台所受的各种力、变形和刚度进行分析。

2 数控加工工艺方案确定

工件定位应使计算机辅助设计模型上点与待加工曲面上粗糙点对应，以建立曲面测量坐标系与设计坐班系之间的刚体运动变换。评估工艺，用于确保每个点与工件空间坐标变换上的扫描点对应，如图2所示。加工坐标系是以确定的加工原点为基准所建立的坐标系。加工坐标系，是在数控机床刀具路径设计的位置坐标上的几何处理，在部件轮廓加工坐标系中确定坐标。在加工过程中，数控机床根据原点的工件夹紧位置和工序进行加工。在确定原点位置和加工坐标系方向时，应确保机床的粗定位易于实现、加工和切割，以满足实际加工条件。

图2 空间设计曲面和实际曲面图

为了满足数控加工的高效率、高速度、高精度、高可靠性和高自动化程度的要求，一般认为，数控机床的刚度比普通机床高50%以上。本文所使用的近似方法为保有系数的迭代法，因为系统受单元间的许多关键因素影响，因此，通过一个方程函数获得方程组的解，问题被分解成多个方程接近系统进行解决。系统问题解决转化为多个函数方程问题，其求多个自由度问题的域函数。

在加工过程中，所选择与产品线性相关的运动为刀具运动模式，其选择的加工精度对切割效率、生产成本、数控机床寿命和运动性能具有重要影响。该方法常用于复杂的不规则曲面的加工，其刀具轨迹为平直轨迹，该轨迹为彼此平行的直线，清晰直观。由此产生小型数控程序，大大提高了切割效率。该模型分为单向运动模式和多向运动模式两种如图3所示。

(a)单向运动 (b)多向运动图3 刀具运动模式图

单向运动模式能获得最佳沿线加工方向，经过加工可得到优良曲面。但是刀具的往复运动，会产生很多空切割，切割效率低；多向运动刀具运动方式和切割力不断变化，机床加工的曲面质量较，但加工效率相对较高。

在数控程序中，通过后处理操作，发送于机床控制器的刀具路径可通过数控代码识别。现常用的CAD/CAM软件通常为通过发送指令建立后处理程序，之后执行此后处理程序，程序员根据校对前的指令代码和程序，编辑特定数控机床的格式文件，通过刀具路径文件的后处理程序可以得到符合要求的数控加工文件格式。

3 结论

曲面质量检测是判断加工曲面质量优劣的重要手段。本文分别基于传统曲面建模方法和快速曲面建模方法进行比较分析。通过优缺点分析可知，当曲面连接相对于光滑时，可选择快速曲面建模方法；对于面积较小、局部、精度高的曲面，曲面曲率变化较大，应选择传统曲面建模方法。本文研究在一定程度上提高了计算机数控系统的加工速度、加工精度及加工效率，对优化机械加工控制系统具有一定指导意义。

[1] 章婷,刘世豪. 数控机床热误差补偿建模综述[J]. 机床与液压,2011,39(1):122-127.

[2] 唐克岩. 我国数控机床产业发展现状与展望[J]. 机床与液压,2012,40(5):145-147.

[3] 陈岳坪,高健,邓海祥,等. 复杂曲面零件在线检测与误差补偿方法[J]. 机械工程学报,2012,48(23):143-151.

[4] 萨日娜,张树有,刘晓健. 面向零件切削性评价的数控机床精度特性重要度耦合识别技术[J]. 机械工程学报,2013,49(9):113-120.

[5] 高健,陈岳坪,邓海祥,等. 复杂曲面零件加工精度的原位检测误差补偿方法[J]. 机械工程学报,2013,49(19):133-143.

[6] 王伟,张心羽,梅雄. 五轴数控机床进给系统刚度对自由曲面轮廓误差影响机理研究[J]. 机械工程学报,2016,52(21):146-154.

[7] 陈志鸿,房海蓉,方跃法. 基于逆向工程的自由曲面涂层加工系统设计[J]. 机械工程学报,2014,50(9):142-147.

[8] 陈小红,高增梁,马云飞,等. 基于工艺特征的数控编程方法研究[J]. 组合机床与自动化加工技术,2016(5):129-133,137.

(编辑 李秀敏)

Analysis and Research of NC System for Surface Machining

DENG Zhong-hua

(Changsha Aeronautical Vocational and Technical College,Changsha 410124,China)

Computer numerical control technology is the control technology of digital information technology and the work process control of mechanical motion, the key technology for reverse engineering of the project of digital processing, reconstruction of the subsequent model difficult degree and accuracy play a decisive role. In order to improve the machining speed and machining precision, this paper analyzes the current complex surface CNC machining equipment, and the analysis of the research on automatic control system, the research of improving the processing speed, computer numerical control system of the machining accuracy and machining efficiency to a certain extent, it has certain guiding significance for the optimization of machining control system.

automatic control;computer numerical control;control engineering

1001-2265(2017)08-0117-02

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.08.030

2017-02-16；

2017-04-06

国家自然科学青年基金项目：一种新型自锐性金刚石纤维砂轮的研制及磨削机理研究(51205126)

邓中华(1982—)，男，湖北恩施人，长沙航空职业技术学院讲师，硕士，研究方向为机械设计、机械制造、数控机床应用、机床加工，(E-mail)dengzhonghua010@126.com。

TH166;TG659

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