空间自由曲面五轴联动数控加工

第９期　２０１１年９月　机械设计与制造　

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　１２９　

文章编号：１００１—３９９７（２０１　１）０９—０１２９—０３　

空间自由曲面五轴联动数控加工　

钟建琳刘忠和杨庆东　

（北京信息科技大学机电学院，北京１００１９２）　

５－ａｘｉｓ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏＩ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｏｆ　ｓｐａｃｅ　ｆｒｅｅ－ｆｏｒｍ　ｓｕｒｆａｃｅｓ　

ｚＨ０ＮＧ　Ｊｉａｎ—ｌｉｎ，ＬＩＵ　Ｚｈｏｎｇ—ｈｅ，ＹＡＮＧ　Ｑｉｎｇ—ｄｏｎｇ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１９２，Ｃｈｉｎａ）　／．　—、　＾　一　！　—＂　—　—　喜—、｜—　—、　—　…　—　—　—　～　—　—　毫斤　；　【摘要】介绍了五轴数控机床的运动方式，阐述了空间自由曲面五轴联动数控加工中刀具路径ｊ　

｝规划的基本方法：参数线法、ｃｃ路径截面线法、ｃＬ路径截面线法、导动面法等。之后对五轴加工中刀具｛　

ｉ轴向规划进行了论述：垂直于表面方式、平行于表面方式、倾斜于表面方式。最后　－３纳总结了刀具干涉；　

；的检测与处理的方法，并分别说明了其优缺点和适应范围。　ｉ　

关键词：自由曲面；五轴数控ＮＴ；刀具路径规划，１干涉检查　

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｍｏｄｅ　ｏｆｍｏｔｉｏｎ　ｏｆｔｈｅ　５－ａｘｉｓ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌｓ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　

ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｔｏｏｌ　ｐａｔｈ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｉｎ　５－ａｘｉｓ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｏｆ　ｓｐａｃｅ　ｆｒｅｅ　ｒｍ　ｓｕｒｆａｃｅｓ　ｏｌ＇ｅ　ｅｘ－　

ｐｏｕｎｄｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ，ｃｕｔｔｅｒ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｐｏｉｎｔ　ｐａｔｈ　ａｎｄ　ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，ｃｕｔｔｅｒ　ＺｒＪｃ０一　

ｔｉｏｎ　ｐｏｉｎｔ　ｐａｔｈ　ａｎｄ　ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，ｇｕｉｄｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｍｅｔｈｏｄ．Ａｆｔｅｒ　ｔｈａｔ，ｔｈｅ　ｔｏｏｌ　ａｘｉａｌ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｐｒｏ－　

ｐｏｓｅｄ，ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｓｕＦｆｃｌｃｅ，ｐａｒａｌｌｅｌ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ＳＵｒｆａｃｅ，ｏｒ　ｉｎｃｌｉｎｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍａ－　

ｃｈｉｎｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｅｎｄ，ｔｈｅ　ｃｕｔｔｅｒ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｃｈｅｃｋｉｎｇ　ａｎｄ　ａｖｏｉｄｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　

；ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆｅａｃｈ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　

｝　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｆｒｅｅ－ｆｏｒｍ　ｓｕｒｆａｃｅ；５－ａｘｉｓ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ；Ｔｏｏｌ　ｐａｔｈ　ｐｌａｎｎｉｎｇ；Ｉｎｔｅｒ—　ｔ　｝ｆｅｒｅｎｃｅ　ｃｈｅｃｋｉｎｇ　

中图分类号：ＴＨ１６，ＴＧ６５９文献标识码：Ａ　

１引言　

曲面可分为规则曲面和不规则曲面两类。规则曲面，可看作　

是一条母线按照一定规律运动所形成的轨迹，即初等解析曲面，　

如平面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面等，大多数机械零件属于这　

一类。而不规则曲面不能由初等解析曲面组成，而是以复杂方式　

自由地变化的曲线曲面即自由型曲线曲面组成，如飞机、汽车及　

船舶设计制造中会遇到大量的空间自由曲面问题，这些曲面早期　

只能用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达。近几十年来，随　着实际设计问题对自由曲面建模提出的新要求，基于数学表现形　

式的曲线曲面拟合方法得到了快速的发展，使得计算机能够方便　

地处理空间自由曲面问题。　

早期数控编程的对象主要是初等解析曲面，但随着汽车、航　

天、造船和模具等工业的发展及产品个性化需求的日益增多及反　

求工程的广泛应用，零件表面形状变得越来越复杂，加工质量要求　

也不断地提高，普通的三轴联动数控加工已不能满足要求，而五轴　

数控加工给曲面加工带来了更多的灵活性，在复杂曲面加工中得　

★来稿日期：２０１０—１１—１３★基金项目：北京市教委科研计划面上项目（ＫＭ２０１０１０７７２００１）　

割头，并开发一个单片机控制系统，成本极低、效果好。　

实验表明，切割头能产生直径达（１５０～３００）ｔｘｍ且能精确控制　

其磨料流量的微磨料水射流。采用该切割头的微磨料水射流对工　

程材料进行切割、铣削、车削和雕刻等三维加工是完全可以实现　

的，在矿业、机械制造、微电子、航空航天、军工、医疗、建材、装饰工　

程、半导体材料和封装材料的切割等领域都有广阔的应用前景。　

参考文献　ｆ１］雷玉勇，蔡黎明，邴龙键，等＿ｊ数磨料水射流技术及应用［Ｊｊｌ西华大学学　报，２００９，２８（４）：１—６．　１２］Ｙｕｊｉ　Ｏｋｉｔａ，Ｋａｔｓｕｔａｋａ　Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｔａｔｓｕｆｕｍｉ　Ｆｕｊｉｉ　ａｎｄ　Ｍｉｔｓｕｏ　Ｋｕｓｕｍｏｔ，　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ａｄｄｉｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ａｂｒａｓｉｖｅ－ｗａｔｅｒ　Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　Ｊｅｔｓ［Ｃ］．Ｔｈｅ　８ｔｈ　Ｐａｃｉｆｉｃ　Ｒｉｍ　ｌｎｔｅｒｕａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｊｅｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６（１Ｏ）：５７－６５．　［３］Ｍｉｌｌｅｒ，Ｄ．Ｓ．，Ｎｅｗ　Ａｂｒａｓｉｖｅ　Ｗａｔｅｒｊｅｔｓ　ｔｏ　Ｃｏｍｐｅｔｅ　ｗｉｔｈ　Ｌａｓｅｒｓ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　２００５　ＷＪＴＡ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｗａｔｅｒｊｅｔ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｈｏｕｓｔｏｎ．Ｔｅｘａｓ，２００５　＾…　●…＾＾¨＾…　ｌ４ｊＭｉｌｌｅｒ，Ｄ．Ｓ．Ｍｉｃｒｏｎｍｃｈｉｎｉｎｇｗｉｔｈ　ａｂｒａｓｉｖｅｗａｔｅｒｊｅｔｓ［３　Ｊ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＭａｔｅｒｉａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ，２００４，】４９（１—３　Ｊ：３７—４２．　１５ｊ　Ｍｉｌｌｅｒ，Ｄ．Ｓ．Ｍｉｃｒｏｍａｃｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ａｂｒａｓｉｖｅ　Ｗａｔｅｒｊｅｔｓ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｂｅ　１６ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｊｅｔｔｉｎｇ．ＢＨＲ　ＧｒｏｕｐＬｔｄ　ｌＪＪ．Ｃｒａ　ｎｆｉｅｌｄ，２００２．　』６『Ｈｉｒｏｓｈｉ　Ｓａｗａｎｏ，Ｓｈｉｎｉｃｈｉ　Ｗａｒｉｓａｗａ，ＭａｌｌｌＯｒＵ　Ｍｉｔｓｕｉｓｈｉ，Ｋｏｕｉｃｈｉ　Ｋｕｒａｍｏｔｏ　ａｎｄＴａｋａｙｕｋｉｌｎｏｕｅ，Ｕｈｒａ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎＦｉｎｉｓｈｉｎｇｆｏｒａｎＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＫｎｅｅ　Ｊｏｉｎｔ　ｂｙ　Ｍｅａｎｓ　ｏｆＡｂｒａｓｈｒｅ　Ｗａｔｅｒｊｅｔ『Ｃ　Ｊ．Ｔｈｅ　８ｔｈ　Ｐａｃｉｆｉｃ　Ｒｉｍ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１　Ｃｏｎ　ｆｅｒｅｎｅｅｏｎＷａｔｅｒＪｅｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６（１０）：３０８—３１５．　［７ｊ　Ｏｒｂａｎｉｃ　Ｈ．，Ｊｕｒｉｓｅｖｉｅ　Ｈ．，Ｋｒａｍａｒ　Ｈ．，Ｇｒａｈ　Ｍ．，Ｊｕｎｋａｒ　Ｍ．，Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ａｂｒａｓｉｖｅ　ｗａｔｅｒ　ｊｅｔ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｐａｒｔ　ｌｃｊ．Ｃ＇．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇ　ｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００６，２２０：ｌ６９１—１７０５．　［８］李连荣，唐焱磨料水射流切割技术综述［ｎ煤矿机械，２００８，２９（９）：５－８．　［９］机械设计师手册编写组．机械设计帅手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，　１９８９（１）

　１３０　钟建琳等：空间自由曲面五轴联动数控加工　第９期　

到了越来越广泛的使用。然而在五轴数控加工中两个旋转自由度　

的增加使得刀具方向不断变化，刀具和曲面的过切干涉和碰撞干　

涉时有发生，且干涉问题也比传统三轴加工方法复杂得多。因此空　

间自由曲面的五轴联动数控加工多年来一直是一个研究热点。　

２五轴数控机床的运动方式　

五轴加工机床具有直线坐标轴和旋转坐标轴，可以五轴联动　

加工。五轴加工机床之间的区别，除了有立式、卧式之分外，则主要　

还在于他们实现五轴运动的结构型式和五个运动的配置上。当前　

常见为三个乎动轴加两个转动轴的组合方式，由于这样的方式可　

以比较自然地从三轴平动的传统机床过渡，也方便加工各种工件，　

同时在加工程序编制方面也相对较为简便一些。三平动二转动的　

组合方式应用在机床结构设计上主要可以分为以下三类Ⅲ：（１）双　

摆头机床，即两个旋转轴旋转；（２）双转台机床，即两个转台旋转；　

（３）摆头及转台机床，即一个转轴和一个转台旋转。由于双转台机　

床的刚性好，而且旋转坐标有足够的行程范围，工艺性能好，所以　

目前大多数五轴加工中心都采用这一结构。　

有的五轴联动加工中心有立、卧两个主轴。卧式加工时立式　

主轴退回；立式加工时卧式主轴退回，立式主轴前移。工作台可以　

上下、左右移动和在两个坐标方向转动，刀库为多盘式结构，位于　

立柱的侧面。这种机床在一次装夹时可加工五个面，适用于模具、　壳体、箱体、叶轮、叶片等复杂零件的加工。　

３五轴联动数控加工刀具路径规划策略　

五轴联动数控加工刀具路径规划是五轴数控加工技术的核　

心技术，也是实现五轴联动加工过程中最重要的步骤之一。路径　

规划包括以下几个部分：刀位规划、刀具轴向规划、刀具干涉检　

测、后置处理、加工运动控制。其中前三部分是五轴联动数控加工　

刀具路径规划阶段必须处理的问题。　

３．１刀具路径规划基本方法　

刀具路径用以描述切削刀具相对于工件运动的轨迹。刀具　

路径质量的高低将直接影响加工效率和加工精度，因此一直是数　

控加工领域研究的重点。现有较典型的刀具路径规划方法有以下　

几种１３－７１：　（１）参数线法。如图１所示，切削行沿曲面的参数线分布，适　

用于曲面参数线分布较均匀的曲面的加工。在加工中，刀具的运　

动分为沿切削行的走刀和沿切削行的进给两种运动。刀具沿切削　

行走刀时所覆盖的一个带状曲面区域，称为加工带。首先沿切削　

行的进给方向对曲面进行离散，得到加工带，然后在加工带上沿　

走刀方向对加工带进行离散，得到切削行。这种方法自然且简单，　

因此使用也最广泛。由于参数空间与笛卡尔空问的非线性关系，　

曲面上的参数线分布并不均匀。参数线法生成刀具轨迹的加工效　

率并不高，但计算量小。基于参数线加工的刀具轨迹计算方法有　

多种，比较成熟的有等参数步长法，参数筛选法，局部等参数步长　

法，参数线的差分算法及参数线的对分算法等。　

锆　

图１等参数线法　（２）ｃｃ（刀具接触点）路径截面线法。如图２所示，ＣＣ路径截