摘 要： 針對蒙皮鏡像銑技術(shù)加工過程中極易產(chǎn)生變形的問題，對蒙皮輪廓信息獲取、轉(zhuǎn)換、參數(shù)化和刀軌生成技術(shù)進行研究。基于CATIAV5平臺，創(chuàng)新的提出了一種適用于對內(nèi)部無凸臺的減薄特征蒙皮進行參數(shù)化等距劃分的蒙皮刀路自動生成算法，使用VS2015/C++開發(fā)實現(xiàn)。以具典型的飛機蒙皮工件進行驗證，該方法對絕大多數(shù)的飛機蒙皮加工系統(tǒng)適用。

　　關(guān)鍵詞： 蒙皮鏡像銑技術(shù); 蒙皮; 等距劃分; 刀路自動生成算法

　　0 引言

　　近年來由于航空航天、汽車交通、大型裝備等行業(yè)的快速發(fā)展，大型曲面蒙皮和壁板的使用越來越廣泛。在蒙皮壁板類零件數(shù)控加工時，往往為了減少空走刀，要求刀路無抬刀;為了縮小刀路長度，一般要求刀路減少交叉，為了提高加工效率，刀路步距不能過小。2005年，根據(jù)刀路屬性連接環(huán)切刀路，實現(xiàn)刀路的無抬刀、無重復(fù)刀路、自自動執(zhí)行要求，郝泳濤等[1]提出了一種無抬刀的平行輪廓刀路優(yōu)化算法，定義了“刀路環(huán)樹”的概念。2009年，Ren[2]提出了一種基于再參數(shù)化的刀路生方法，針對輪廓特點對螺旋刀路的步距進行調(diào)整，使得刀路變化穩(wěn)定，獲得更好的加工效果，生生了無抬刀、無交叉、無留距且均勻的刀路。2010年，張鳴[3]提出了一種效率更高的環(huán)切刀路連接方法，不僅計算簡便，而能處理含有凸臺等復(fù)雜情況，實現(xiàn)了刀路完全沒有退刀。2011年，Hauth S， Linsen L[4]在單螺旋刀路的基礎(chǔ)提出了雙螺旋曲線，更利于區(qū)域刀路填充，便于區(qū)域間刀路的連接。一些學(xué)者在減少刀路抬刀提高加工效率方面做了相關(guān)的研究。董光、戴寧等人[5-6]分別在2012，2013年針對形腔修復(fù)數(shù)加工中環(huán)切刀路的連接問題，建立了環(huán)切刀路的富足關(guān)系，通過“過渡點”構(gòu)建過渡關(guān)系，連接環(huán)切刀路，同樣生成了無抬刀、無重復(fù)刀路的加工刀路。2016年，王家斌[7]采用放樣和B樣條曲線優(yōu)化術(shù)生成連續(xù)的螺旋刀路，同時針對偏心孤島能生符合要求的刀路針對含有孤島的型腔。2019年，畢慶貞[8]等針對五軸鏡像刀路自適應(yīng)加工提出了等距映射自適應(yīng)加工方法。

　　蒙皮工件曲面由于曲率變化，在設(shè)計過程中會產(chǎn)生許多碎面[9]，包含大量相交特征，給特征識別增加了難度。蒙皮加工需要識別蒙皮下沉、開窗、孔及其輪廓特征;識別加工區(qū)域中每個特征的厚度，幾何尺寸及加工位置等信息，為決策加工順序、加工參數(shù)等信息及刀軌生成提供依據(jù)。

　　如圖1，飛機蒙皮壁板具有許多復(fù)雜的特征，對測量和加工路徑的生產(chǎn)提出了挑戰(zhàn)。以CATIA為平臺進行二次開發(fā)，實現(xiàn)銑邊和銑削的測量路徑和加工路徑規(guī)劃功能，既可有效地利用CATIA自身的CAD/CAM功能，又可根據(jù)鏡像銑自身特點進行功能定制，大大提高了數(shù)控編程的效率。

　　1 蒙皮鏡像銑刀路自動生成

　　1.1 蒙皮鏡像銑加工技術(shù)原理

　　蒙皮鏡像銑加工系統(tǒng)具有蒙皮零件壁厚銑薄、蒙皮切邊、鉆孔等加工能力。圖2顯示該系統(tǒng)采用一個五坐標(biāo)的頂撐裝置，實時與主軸形成鏡像運動，壓緊蒙皮，防止加工顫振及加工變形等加工問題。頂撐裝置數(shù)控程序根據(jù)主軸加工軌跡，主軸軸向方向及蒙皮特征厚度自動計算頂撐的實際軌跡。當(dāng)機床主軸所在位置的刀位點P的法向為時，根據(jù)蒙皮當(dāng)前厚度H可以計算出頂撐所在位置的向量及坐標(biāo) 。

　　1.2 偏置輪廓參數(shù)化

　　在進行刀軌自動生成時，首先使用激光掃描變形后的零件獲取減薄特征的最外圈輪廓。

　　選取加工特征的外輪廓，可以選擇特征面，然后由程序自動提取特征的外輪廓;也可以直接點選外輪廓(如果外輪廓不連續(xù)，可以通過軟件控制自動選擇與點選輪廓連續(xù)的曲線段)，完成將曲線按測地線距離向曲面內(nèi)部偏置(外輪廓向內(nèi)偏置流程如圖3)。

　　如圖4所示提取出特征的外輪廓，刀具半徑[R]、曲面局部曲率半徑[ρ]及殘留高度CW、的加工行距函數(shù)。

　　實際加工生產(chǎn)中，上述計算公式常作如下簡化：

　　如果局部區(qū)域接近平面時，式⑵可進一步簡化為[Lw=8CWR，ρ→∞]。

　　偏置輪廓參數(shù)化為獲得偏置輪廓在二維平面上的形狀。對于外形并不復(fù)雜的蒙皮零件，其UV值所展現(xiàn)的圖形(如圖5)，近似等于蒙皮工件展平后的圖形，這也就保證了在UV面上規(guī)劃刀路的可行性。

　　UV參數(shù)方程為：

　　將曲線輪廓參數(shù)化后，在UV平面上設(shè)置UV坐標(biāo)系，在二維平面上進行刀路規(guī)劃。刀路規(guī)劃的主要策略是等距劃分，得到分割線的交叉點，在交叉點之間等距插值出刀位點，得到UV平面上的原始刀路。

　　等距線求解步驟如下：

　　⑸ 得到分割線與偏置輪廓之間的交點后，按照從上到下的方向?qū)⑦@些點一筆畫連接，并將最后一個點與外輪廓上的最近點進行連接。最后在交點之間按照設(shè)定的補償插入刀位點，得到初始的加工刀路。

　　1.3 刀路生成

　　根據(jù)等V線的連線規(guī)則，將等距線有序的連接，生成一條曲線，作為蒙皮銑削加工的刀路。刀路的生成方法如下。

　　⑴ 獲取待加工特征的外輪廓，并將外輪廓沿測地線距離向內(nèi)偏置一個刀具半徑D/2。將偏置輪廓UV參數(shù)化，獲得偏置輪廓在二維平面上的形狀[Poffset1]，再向內(nèi)偏置一個輪廓殘差距離CW，得到一個待等距劃分的輪廓外形[Poffset2]。

　　⑵ 在UV平面上設(shè)置UV坐標(biāo)系(如圖6)，按照等V線，將輪廓[Poffset2]分割，得到分割線的交點，在交點之間等距插值出刀位點。按照從上到下，外圈輪廓逆時針方向依次連接線段，得到刀路軌跡A。

　　⑶ 在實際加工過程中，測厚裝置需要一定的反應(yīng)時間，在下刀點處會有極大概率的過切現(xiàn)象。為了解決下刀點過切，增加一段過渡刀路，又稱重疊刀路。在輪廓[Poffset2]上取一條線段作為重疊刀路，該重疊刀路的終點與刀路軌跡A起點連接，終點在刀路方向的反方向(如圖7)。在過渡刀路上使測厚裝置百分百欠切，及至刀路到達(dá)真正的下刀點處，測厚裝置能夠穩(wěn)定工作。而重疊刀路上欠切的部分，通過后續(xù)刀路的加工使其達(dá)到設(shè)定的厚度值。

　　⑷ 將規(guī)劃好的刀路映射到特征曲面上，根據(jù)每個刀位點的UV值，利用CATIA算法計算出刀位點的空間坐標(biāo)值。此部分刀路作為鏡像銑設(shè)備銑削側(cè)的工件銑削刀路。根據(jù)外部設(shè)定進刀距離、退刀距離、進刀角度、退刀角度，增加進刀和退刀軌跡，得到蒙皮鏡像銑設(shè)備銑削側(cè)的加工刀路;將銑削側(cè)刀路按照曲面的法向進行鏡像，得到蒙皮鏡像銑設(shè)備支撐側(cè)的鏡像運動軌跡;根據(jù)銑削側(cè)刀位點在曲面上的投影點處的法向，將刀位點鏡像到工件的背面，得到鏡像銑支撐側(cè)軸的運動軌跡。

　　1.4 數(shù)控編程

　　⑴ 基于特征的主軸數(shù)控編程

　　基于特征的主軸編程，首先基于蒙皮減薄特征表達(dá)與自動編程相關(guān)的幾何信息與工藝信息，通過對蒙皮減薄特征信息識別，輸出包含幾何信息和工藝信息的識別結(jié)果。以特征為單位生成每個特征的加工刀路的刀位文件，根據(jù)不同的加工需要標(biāo)記相應(yīng)刀位點信息，并根據(jù)決策結(jié)果及添加的操作，自動添加工藝指令及銑削進退刀指令，實現(xiàn)自動生成加工刀路。

　　如圖8所示，蒙皮加工時主軸坐標(biāo)為[P=(x，y，z)]，法向為[V=(i， j ，k)]。對于平面自由曲線輪廓加工，設(shè)加工過程中所采用的銑刀半徑為R，刀刃半徑為r，[PC]為曲線上任一刀觸點，[n]為曲線在[PC]點處的法線，被加工自由曲線輪廓的參數(shù)方程為[r(u)]，則刀位點[PL]按以下公式計算：

　　當(dāng)r=0加工中所使用的刀具為平底銑刀，刀位點為平底刀的中心，其計算公式為：

　　根據(jù)圖9，當(dāng)加工中所使用的刀具為球頭刀時，這實際上相當(dāng)于環(huán)形銑刀中r=R的情況，刀位點的計算公式為：

　　在圖10中，5軸加工中，使刀軸在切觸點繞單位切向矢量[Tv]轉(zhuǎn)動一個角度[α]，可以更好地控制切削條件、改善切削效果。將刀具繞單位法向矢量N旋轉(zhuǎn)一定角度[β](稱為側(cè)偏角)避免刀具與被加工曲面發(fā)生局部干涉。[α]，[β]這兩個角度決定了刀具的姿態(tài)[O=f(α，β)]。

　　在切削點[PC]處，環(huán)形刀的圓環(huán)刀刃沿走刀方向的曲率為[kt=1r]，則該方向的有效切削半徑為[Rt=r];圓環(huán)刀刃垂直于走刀方向的曲率為

　　由式⑼得出[Rt

　　其中，[rρmin=1/kmax]為曲面在切削點[PC]處的最小曲率半徑。

　　走刀步長是指同一條刀具軌跡上兩相鄰刀觸點之間的距離。如圖11(a)所示，在一條刀具軌跡上兩相鄰刀觸點[PA]和[PB]之間(設(shè)步長內(nèi)線性化逼近誤差為[ε]，被加工曲面在[PA]點處沿走刀方向的法曲率半徑為[rρ])。為了簡化計算，采用以[rρ]為半徑的圓弧逼近[PA]和[PB]之間的局部軌跡，如圖11(b)所示。實際加工證明，這樣并不會給誤差估算帶來太大影響。根據(jù)圖11中幾何關(guān)系，可得走刀步長[Ls]的計算公式如下：

　　⑵ 基于特征的頂撐裝置數(shù)控編程

　　根據(jù)主軸的加工操作結(jié)果及每個特征的進退刀信息自動添加頂撐裝置的進退指令，由當(dāng)前蒙皮特征厚度信息通過對刀具的軌跡計算頂撐的移動軌跡。根據(jù)蒙皮的曲率變化自動計算頂撐裝置移動軌跡的刀軸法向。當(dāng)蒙皮加工時主軸坐標(biāo)為[P=(x，y，z)]，法向為[V=(i， j ，k)]時，頂撐的坐標(biāo)及法向為：

　　d根據(jù)以上的計算信息，自動添加頂撐的移動指令，最終保證頂撐與加工主軸的鏡像。

　　2 仿真及實驗驗證

　　2.1 仿真

　　數(shù)控編程生成刀路之前需要進行前置處理和后置處理。前置處理進行刀路路徑規(guī)劃和刀路計算;后置處理包含刀位文件、機床配置、NC代碼、系統(tǒng)設(shè)置四部分功能。前置處理計算得到的刀位數(shù)據(jù)經(jīng)過后置處理轉(zhuǎn)換后生成相應(yīng)的數(shù)控機床程序代碼，應(yīng)用于實際加工過程。蒙皮鏡像銑數(shù)控編程模塊包括激光掃描模塊，曲面離散模塊，特征編程模塊，路徑生成模塊，特征刀路補償模塊等各個功能模塊。系統(tǒng)基于CATIAV5平臺，使用VS2015/C++實現(xiàn)開發(fā)。刀路生成流程圖如圖12所示。

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