数控编程作为目前 CAD/CAPP/CAM 系统中最能明显发挥效益的环节之一,在实现设计加工自动化、提高加工精度和表面加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要的作用。本文基于自由曲面的几何特征,对在保证加工精度的前提下如何提高曲面加工效率的问题进行了较为深入系统的研究。 本研究首先从高精度、高效率的加工目标出发,对数控编程系统应解决的关键技术问题进行了深入分析,建立了针对复杂 NURBS 曲面的多轴数控加工并在加工参数方面具有自适应选择能力、在干涉避免方面具有自适应刀轴控制能力以及在行距计算方面具有高精度计算能力的较为完善的数控编程系统体系。深入分析了刀具尺寸与曲面加工效率和表面加工质量的关系,提出了可提高加工效率的刀具选择策略。该策略基于本研究提出的各类干涉特征点的筛选算法,并通过对所筛选的少量干涉特征点的分析,可快速、有效地得到能进行曲面整体无干涉加工的最大尺寸刀具。针对几何特征复杂的大尺寸曲面,设计了组合刀具的选择算法,提高了曲面的整体加工效率。 系统分析了刀具与曲面的干涉问题,提出了“无刀底干涉→无曲率干涉→无全局干涉”这一干涉避免控制策略。在该策略的基础上,结合本文提出的自由曲面参数离散算法、干涉特征点筛选算法以及曲面分割算法,并基于凸包法原理和可视锥原理实现了刀具的无干涉加工。在避免刀具与曲面干涉的条件下,该算法优化了刀具的切削形态,提高了刀具的切削效率。 深入分析了行距计算误差产生的根源,提出了具有较高计算效率的高精度行距计算算法。该算法基于圆弧样条技术,实现了圆弧对曲面法截线和圆弧对刀刃投影曲线的高精度逼近,并利用圆弧曲线易于求取偏置线的特性,设计了高精度的行距计算算法。由于刀具路径在离散过程中产生的误差将直接影响行距的计算精度,因此提出了行距精度的自适应控制算法,保证了曲面的加工精度。综合考虑刀具尺寸、机床伺服性能、刀具路径的几何性质以及零件表面加工质量等要求,提出了合理确定刀具进给速度的算法。通过深入分析刀具沿切削路径运动时进给速度波动的原因,提出了基于数值逼近原理的参数误差补偿算法,较好地实现了刀具按指定进给速度的稳定运行。基于以上理论研究结果,分别对复杂自由曲面和常用工程曲面进行了加工对比实验和精度检测对比实验。实验结果表明,本系统相对于传统数控编程系统,所规划的刀具路径在满足加工精度要求的条件下,具有更高的加工效率。利用该系III<WP=6>中文摘要统,能够实现数控铣床的性能软提升,具有工程应用价值。由于系统针对的对象主要是 NURBS 曲面,易于与现有的 CAD 系统集成,因而通用性强。