摘要：当前，随着全球经济一体化速度的不断，各个国家之间的竞争激烈程度不断增强，在这个过程中，各个国家的制造业的水平对于一个国家在国际分工中的地位以及国际竞争了具有重要的影响，在一定程度上决定了国家的经济地位。数控加工技术是制造业中的重要部分，其中的刀具轨迹规划是复杂曲面数控加工的重点研究内容，因此，本文针对复杂曲面轨迹规划关键技术进行分析，并指出复杂曲面数控刀具轨迹的生成技术，旨在改进轨迹规划算法，提高制造加工的质量和效率。

　　关键词：复杂曲面；数控加工；轨迹规划；优化

　　随着时代的发展，汽车、机械以及船舶等工业产品的制造发展速度不断提高，在这个过程中对于各种由复杂空间自由曲面构成的零件使用量也是在不断的增多，由于这类曲面类零件加工是数控加工的重点研究对象，对于社会对于复杂曲面数控技术的进步提出了新的要求。为了实现复杂曲面零件的数控加工，需要首先生成复杂曲面的刀具轨迹，并在此基础上处理得到所需要的NC代码。本文针对复杂曲面数控加工的刀具轨迹的生产技术出发进行研究，并在分析和总结现有轨迹规划方法的基础上，指出其中需要改进的地方，进一步探讨促进复杂曲面数控加工刀具轨迹规划的发展。

　　1复杂曲面数控加工刀具轨迹生成概述

　　（1）刀具轨迹生成。

　　所谓刀具轨迹，是在切削刀具上规定点走过的轨迹，而复杂曲面数控加工刀具轨迹生成是指，根据所选用的加工机床、走刀方式、刀具以及加工余量等各个因素，通过零件的几何模型，进行的刀位计算并生成加工运动轨迹的过程。刀具轨迹生成对于数控加工具有重要意义，尤其是能否生成有效的刀具轨迹直接决定了现有数控加工的生产的可能性，并且影响着数控加工的质量和效率。另外，高质量的数控加工程序中需要保证使用的编程精度，还要能够满足编程效率高、通用性好和加工时间短的要求，只有这样才能保证刀具轨迹的有效生成。

　　（2）刀具轨迹生成的相关因素。

　　首先，是刀具轨迹拓扑结构，具体是指刀具跟踪一系列刀位点形成曲面时的走刀模式，环切走到模式和行切走刀模式是现有复杂曲面数控加工中较为常见的轨迹，能够适应曲面局部较为复杂的特征，在工程制造的实际应用程度较高。其次，是刀具轨迹参数，所谓刀具轨迹参数具体是指走刀步长和行距，前者主要是指同一轨迹上，由于受到加工误差大小的影响，相邻两刀位点之间的距离。后者主要是形容有刀具几何形状、残余高度和曲面几何信息因素决定的相邻轨迹间对应刀位点的距离。走刀步长和行距的大小与加工曲面精度之间存在反比关系，即步长和行距越大，加工曲面的越粗糙，但是处理时间和内存的占用越小，具有较高的效率。最后，是刀具轨迹评估。对于生成刀具轨迹的优劣判断需要进行评估，主要是质量、效率和鲁棒性三个方面进行评估。质量评估是指在生成的刀具轨迹必须是残余高度在一定的范围内，并且无干涉。效率评估是指处理时间和内存的占用量必须在一定的范围内，另外，实际的加工时间也是在评估的时候给与考虑。所谓鲁棒性，是指刀具轨迹的适应能力。

　　2刀具轨迹的生成方法

　　对于刀具轨迹的生成方法，最重要的一点是需要代码质量高，能够保证生成的刀位轨迹代码量较小，并且必须是无干涉。现在对于刀具轨迹的生产方法比较常见的是导动面法、参数线加工法和平行截面法。

　　（1）导动面法。

　　所谓导动面法是指，为了保证刀具按照正确的轨迹运动，需要引入一个导动面，来保证切削刀具在零件表面与导动面相切。值得注意的是，在使用三轴球头刀加工曲面时，刀具轨迹在在本质上是零件面的等距面和导动面等距面的交线，导动面法能够保证是由零件面和导动面决定生成的刀具轨迹。

　　（2）参数线加工法。

　　所谓参数线加工法，是指在生成刀具轨迹时以被加工曲面的参数作为刀具路径接触点。参数线加工法是复杂曲面数控加工刀具轨迹生成中最为基本的方法，主要的原因是因为计算量较小并且计算较为简单，但是，仅仅适合曲面参数线分布较为均匀的情况，如果分布不均匀的情况下，使用此方法的刀具轨迹加工效率较低。

　　（3）平行截面法。

　　所谓平行截面法，是指使用平行截面截取加工曲面或者是偏置面，加工曲面主要是交线作为刀触点刀具轨迹，后者主要是刀位点刀具轨迹。在具体的使用过程中一般情况下会将曲面离散，形成多面体模型，主要是由一系列的小三角面片或者是四边形面片。虽然这种方法较有成效，但是在使用研究中发现，由于截面间距的控制难度较高，所以在曲面的不同部位，特别是陡峭处生成的轨迹疏密程度与平坦处的轨迹疏密程度之间存在较大差别，在整个刀具轨迹的生成这能够造成残余高度分布并不均匀。

　　3行距和走刀步长的确定

　　（1）行距。

　　行距经过精算之后，选择的最优行距对于刀位轨迹的生成具有至关重要的作用。在具体情况下，计算行距多是采用刀具半径、残余高度以及曲面曲率半径三者之间的复合函数。最优的行距既不能过小，也不能太大，主要原因是，行距选择的过小，容易在加工的过程中导致加工时间的延长，对于生产加工效率的提高产生不利影响。而行距过大，就会导致曲面残余高度的数值变大，所以会导致加工精度降低。因此，在计算行距的过程中，需要在计算的过程中考虑到加工时间和加工质量等多个因素，保证选择最优或者是最合理的行距。

　　（2）走刀步长的确定。

　　曲面加工的刀具轨迹在理论上应该是由刀具和曲面之间啮合形成的复杂曲线，但是在具体的运作中，由于使用的CNC插补能力有限，所以这个复杂曲线只能是变现为一系列的小直线段。刀具通过线性插补运动跟踪刀位点，在这个过程中走刀步长的大小，会直接影响着刀位数据密度的大小，并且对于加工程序也是有着较大的影响。走刀步长过小，会导致刀位数据密度过大，虽然是能够提高表面质量，但是会在一定程度上降低加工效率。因此，在确定走刀步长的过程中，需要在考虑精度的前提下确定，事实上，无论是采用哪种确定方式，都是会产生一定的误差。

　　4结论

　　刀具轨迹生成技术是数控加工中最为重要的技术，对于实际应用具有重要影响，现在的技术还存在着较多的问题，需要在数控编程不断发展中逐步解决，提高复杂曲面数控加工刀具轨迹生成的质量。

　　参考文献：

　　[1]彭芳瑜,周云飞,周济.复杂曲面的无干涉刀位轨迹生成[J].华中科技大学学报:自然科学版,2012(02):1-4.

　　[2]王宏远.复杂型面加工过程中刀位轨迹的研究[D].兰州兰州理工大学测试计量技术及仪器,2015.

　　摘要:对复杂曲面的数控加工现状、难点及解决这些难点问题的意义作了具体介绍，首先利用CAD/CAM设计软件设计工艺品“葫芦”；再进行具体工艺分析，包括如何选刀、如何确定最佳加工路线等，巧妙利用外形轮廓G73指令编写加工程序，录入到机床系统中，通过对刀、程序校验、进行首件试切加工；最后总结突破难点的成效、价值以及不足之处，应做哪些补充。

　　关键词:工艺分析;G73指令;数控加工

　　1工艺品“葫芦”加工发展现状

　　“葫芦”制品具有极大的发展空间和潜力，代表中国民间传统文化销往世界各国，为传播中国文化起到了重要作用。“葫芦”从原始的一种盛器开始到现代的民间工艺品，对其加工的工艺在不断的创新和发展。当前国内外研究“葫芦”工艺理论的专业人员稀缺，每年发表的专业论文篇数少，至今正式出版的相关著作国内也仅有几部而已。绝大多数“葫芦”工艺品的从业者是以按部就班的传统方式从事工艺品制作，对经验的总结很难形成文字性的支持。高校、科研机构申请国家社会科学研究的立项中，关于“葫芦”手工艺制作的相关研究也没有展开。诸多的原因导致葫芦工艺方面的理论知识呈现出发展“单薄”的局面。传统方式制作存在的问题有：（1）样式是由制作师傅的技术及经验决定；（2）加工方法是以手工为主，完全取决于制作者的技术水平及经验积累；（3）效率低，制约了该工艺品的创新及发展。而创新、总结是“葫芦”制品发展的重心。本文以现代计算机辅助设计技术，数控加工技术为技术支撑，从外形设计、加工设备、加工刀具及加工工艺方法等方面优化处理，巧妙利用外形轮廓G73指令编写加工程序录入到机床系统里，进行对刀、程序校验、首件试切加工等作了详细阐述，对加工难点的突破提出了具体的方案。

　　2工艺品“葫芦”设计

　　针对传统加工方法存在的问题，从工人师傅自己的经验为主，到采用计算机辅助设计，突破了经验为主，该部分以突出现代设计理念，代替传统的工人经验，使结构更合理、美观、便携，如上、下的比例及各圆弧的半径连接需过渡流畅，葫底大小与葫腹的比例，中颈的大小与葫腹的比例，视觉比例等进行优化处理。

　　3工艺品“葫芦”的加工工艺分析及方法

　　分析图纸，加工对象的特点为：（1）直径大小相差很大，采用图形尺寸进行循环切削，空运行次数多，切削时间长，效率低；（2）刀具切削时，刀刃左右交替参与切削，传统的左偏刀、右偏刀无法满足连续切削，因此本文做相应预处理。

　　3.1分析零件图

　　结合加工表面的特点和数控设备的功能对零件进行数控加工工艺分析，为了减少装夹次数、换刀次数，提高生产效率，毛坯总长定为130mm，直径40mm。选用三爪卡盘夹紧工件，选定工件右端面中心为编程原点，通过程序校验，减少空刀运行时间，选择X41，Z105作为循环起始点，以确保加工效率。

　　3.2确定数控加工刀具及加工路线

　　为了减少刀具数量和装夹的次数，防止加工时刀具干涉影响切削面，针对要加工的材料是铝棒、木头等，这里用R1.5的专用圆弧车刀，可实现单把刀具完成全部加工及切断工作，不需要反身装夹和换刀，解决了传统加工因为刀具选择不合理，出现刀具干涉工件和换刀次数过多、反身装夹影响加工效率的现象.

　　4工艺方案及编程

　　4.1工艺方案

　　（1）粗加工分段切削，减少空刀行程，加工出近似形状。（2）连续切削粗加工，切出曲线形状。（3）精加工，加工出圆弧曲线。（4）抛光，用砂纸进行打磨。

　　4.2车削工艺编程

　　刀具选择，粗加工时可用割刀或者圆弧刃刀，精加工时用圆弧刃刀，抛光时要用砂纸打磨。按粗加工、精加工过程依次利用G73粗加工轮廓指令、G70精加工轮廓指令编写程序.

　　5加工难点及解决方案

　　（1）利用G73指令加工时，在程序中增加了一条单独的退刀程序，解决了G73自动退刀时，刀具对工件的干涉现象。编写加工程序，还要注意循环起始点的问题，如果起始点定不准，会出现刀具空运行，浪费时间，生产效率就会受影响，通过试验，循环起始点应该定在大于毛坯0.5~2mm之间。（2）对于既有递增又有递减的曲面图形，用轮廓循环指令G73编制数控加工程序，关键点是这里利用R1.5圆弧车刀，与刀具半径补偿指令G42的完美搭配，解决了加工中刀具干涉工件产生的过切现象。而且只用一把刀具可以加工全部曲面，不需要调头，不需要换刀，减少了换刀的次数，提高效率，解决了多次换刀、多次调头带来的尺寸精度、位置精度误差等问题。（3）由于加工越小的葫芦需要的路径要求也越高，走刀的总步数也要越多，参数U值的计算就尤为重要，走刀路径太多，浪费时间，降低生产效率。走刀路径太少，背吃刀量又太大，容易断刀。为了解决这一问题，提高精度和效率，通过多次试验总结，合理选择参数。（4）由于毛坯材料在最后需要增加一道抛光工序，这道工序，主轴转速2000r/min以上，用微细的纱布在工件上进行打磨抛光，必须要小心、谨慎，这也是整个工序中最费时、费工、最困难的问题，也是今后改进、创新的地方。

　　6首件试切

　　在零件加工中，由数控仿真软件进行加工。数控仿真软件程序验证通过后，就可以实际加工。数控车床是采用FANUC-Oi数控系统，把程序作部分更改，输入到机床存储中。使用刀具补正设置坐标系，利用试切法对刀，进行机床模拟仿真加工，没有错误就可以实现如图3所示的加工。通过上述设计、编程、加工后，完成零件加工全过程。

　　7结语

　　综上所述，“葫芦”制品是传统和现代民间美术中最活跃的艺术形式之一。本文的创新之处是突出了现代设计理念，比传统的加工效率高、结构更合理、外形更美观。国内的各种文化节和“葫芦”艺术研讨会后，形成文字性的文章也多是行业内部资料，数量少、质量低且对外不公开。中国“葫芦”工艺的理论研究和加工要本着总结实践，才能有更好的发展和提高。本文对工艺品“葫芦”的制作加工做了详细的阐述，对参数设置也做了相应的说明。但还存在一些不足之处，比如缺乏“葫芦”的后期美化、雕刻、漆艺、彩绘等工艺制作理论的研究，这是需要进一步研究的地方。

　　参考文献:

　　[1]梁艳,钱媛园,张芸芸.当代葫芦工艺发展现状[J].兰州交通大学学报,2013,32(2):110-112.

　　[2]马聪玲.工艺品葫芦的数控加工[J].教育教学论坛,2011(32):46-47.

　　[3]济南机床厂.FUNAC一0iMA系统编程说明书[Z]．