基于CAD的复杂曲面宽行数控加工仿真与优化

尹刚

摘要：对于我国先进制造技术来说，数控技术是其中必不可缺少的一项，并且它也逐渐成为一个重量指标，来衡量一个国家制造业的发展。在这一方面，数控加工编程技术一直是数控技术的重要且核心的部分，也是难点的一部分。并且随着我国航空、汽车、电子等领域自动化进程的不断加快，它对于我国复杂曲面零部件数控加工技术提出了比以往更高的要求，并且在科技发展的过程中我们越来越发现复杂曲面宽行数控技术有明显的优势。本文是基于CAD的复杂曲线宽行数控技术加工仿真与优化一个简单的叙述，希望对复杂曲面宽行数控技术的发展有一定意义。

关键词：CAD;复杂曲面;宽行数控;加工仿真

我国的数控加工编程技术相对一些发达国家来说还是有些滞后，虽然我国现有非常大数量的数控机床，但是很多机床利用率非常低，甚至发挥不出它的作用，所以我们需要不断发掘他的潜力。我国在很多年前已经从国外引进了先进的计算机辅助设计与制造系统（CAD），并且在很多領域得到了广泛运用，但是很多核心的技术我们仍然没有使用权利与能力，所以我们需要通过自主创新来在这一方面得到进一步的发展。

一、CAD的复杂曲面宽行数控技术

我国从上世纪80年代就有学者提出了复杂曲面宽行数控加工的概念，并且在接下来的30年中取得了很大的发展。宽行数控加工算法主要包括两类，第一类是基于广域曲率吻合原则的到位算法;第二类是多点切触到位算法。

相比传统的刀位算法，宽行数控加工算法虽然有更大的技术难度，但它还是具有多方面的优势，它打破了以几何数学为基础的窄带点接触加工算法，即传统刀位算法，而是以数值方法作为刀位计算的数学基础。这样就让刀具和工具曲面有最好的匹配度。从目前的数据来看，它可以超越传统到位算法大约五到十倍，大幅度的提高了加工效率，因此可以获得更大的经济收益。

二、复杂曲面宽行数控加工仿真

我们可以通过CAD进行电脑制图、数字建模，然后利用软件加工仿真，对刀具进行合理路径规划以及刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及数控后置处理等一系列操作。通过虚拟加工对现实中的加工环境进行模拟，能够更加有效地检验零件的可加工性以及工艺的合理性，充分利用虚拟仿真技术，提高零件的加工精度。我们可以基于CAD的数字建模，然后通过软件完成零件的轨迹、生成、后处理等一系列的步骤[1]，然后进行分析仿真加工，尤其是利用一些比较典型的零件，利用铣削加工验证仿真加工的可行性。

涉及到复杂曲面的一般都是一些复杂零件，而复杂零件数控代码极其繁多，如果我们利用人工进行检测，试验以及机床运行一系列的代码检测时，会造成很大的精力、时间等其他资源的浪费。为了尽量避免这种浪费，并且提高复杂零件加工的精度和质量，我们需要建立模型，对这些数控代码进行仿真加工。通过仿真可以优化数控代码，并且可以进一步的精确模拟我们在实际环境中的零件加工过程，并且可以更加直观地观察到刀具的轨迹和在现实的环境中的可加工性。

三、CAD的复杂曲面宽行数控优化

（一）刀位优化

曲面加工它一般是要通过三个步骤才能够完成，粗加工、精加工以及后续的磨削和抛光[2]。粗加工它仅仅是先去除掉大部分的材料，还有一定的富余，以便进行后续的精加工，所以对于刀位的技术也要求不是特别高，但是后续的精加工以及磨削和抛光，对于刀位技术有着很高的要求。我们现在所需要的是对刀位进行优化，然后找出一种可以快速产生更小的残余高度的一种精加工技术，这样就可以再进行后一步的磨削和抛光工序中，减少这个阶段对于曲面进行加工的时间，这样就可以提高其生产效率。我国已实现宽行加工为目标的到位算法，在短短十几年来已经取得了很大的发展，不管是在理论上还是在应用上。

（二）刀轨优化

通常来说，如果我们要对复杂曲面进行加工，他不只是一次走到就能够完成，他通常需要多次走到才能完成。对曲面进行加工，我们必须要经过刀具定位，刀轨规划及无干涉检测三个步骤，然后它的无干涉刀位轨迹才能够顺利生成。

刀轨规划它主要是根据零件模型加工方案和误差要求，然后生成刀具对于工件运动轨迹的过程，这个过程它不仅会直接决定到曲面加工的实际效率，也会继续影响到曲面加工后的零件的表面质量，所以刀轨的技术以及最重要的是刀轨规划算法是一个非常重要的数控技术。如果我们要对刀轨规划进行优化的话，主要是在等参数线法、等距截平面法和等残留高度法三个基础方法上进行改进的，我国已经有非常多的专家结合各种分析，精细了刀轨的规划算法，从而减少了一些非线性的误差问题。对于复杂曲面加工主要的优化是基于曲面的局部几何信息，将刀轨进行优化以后，会减少一些机床在多种加工中的冲击，同时会提高机床的利用率，并且会让零件的曲面的表面加工质量有大幅度的提升。

（三）刀具优化

对于刀具的优化，我们主要可以有以下两点，就是刀具后跟角的优化和刀具侧偏角的优化，我们可以通过一系列的算法，例如IAIM算法，通过求得满足局部过切条件的刀具最小后跟角然后确定其最优单位。还有一种方法是RCM算法，这种算法在计算多点到位时增加了一个刀具侧偏角，所以我们对于其到位优化的策略相应的也需要进行一定的调整。我们需要先对刀具侧偏角进行优化调整，以使刀具进给方向两侧的最大干涉量相同，在这个的基础上然后再对刀具后跟角进行一定程度的调整和优化，然后找到满足局部过切条件下最小刀具的后倾角，然后让圆环面的刀具和工件的曲面之间能够达到一个非常好的几何匹配度。

结语

随着科学技术的进步以及自动化进程的加快，数控技术在各个领域都得到了广泛的利用，并且未来会得到更多的重视与应用。因此作为数控技术的重要且核心部分，复杂曲面宽行数控技术的加工仿真与优化，也是一个我们需要重点研究的内容，希望未来我们可以在保证零件加工精度的基础上，然后通过各方面的加工仿真与优化，提高我们的实际加工效率。

参考文献：

[1] 王成辰，徐东超，周锋，卞金洪，王如刚.复杂零件数控加工的仿真与优化研究[J].福建电脑，2020，36（04）：23-26.

[2] 孙心宇.复杂曲面的五坐标宽行数控加工技术研究[D].南昌航空大学，2016：1-79.