本文針對數(shù)控車削加工的特點，結(jié)合被加工零件的特征，提出了數(shù)控車削加工刀具軌跡自動生成的算法。該算法在實際應(yīng)用中，取得了理想的效果。
1 零件圖的預處理
根據(jù)數(shù)控車削加工的特點，零件的加工工藝分為：孔加工(包括打中心孔)，外(內(nèi))表面加工、退刀槽及螺紋加工，根據(jù)表面質(zhì)量的要求，又分為粗加工、半精加工和精加工等工藝。數(shù)控車削加工刀具軌跡的規(guī)劃，重點是外(內(nèi))表面粗加工時刀具軌跡的規(guī)劃處理。對退刀槽、螺紋這樣的零件特征在進行表面粗加工時將其用表面代替，如圖1。數(shù)控加工中為減少多次安裝帶來的安裝誤差，一般采用一次裝夾，對那些需要調(diào)頭加工的部位則采取右偏刀反向走刀切削。此外，對端面的加工有時選取向下的切削方向。因此加工時的切削方向分為向左、向右和向下的切削方向。
圖1
對于倒角和倒圓角等工藝的處理在算法上將其作為表面處理。對反向走刀切削時的刀具軌跡規(guī)劃的算法與正向切削時類似，對內(nèi)表面加工時刀具軌跡規(guī)劃的算法與外表面切削時也相類似。另外對精加工時的刀具軌跡規(guī)劃，以及退刀槽和螺紋加工的刀具軌跡規(guī)劃處理也較為容易。一般，為減少刀具軌跡生成算法的復雜性，在刀具軌跡生成前對零件進行刀具干涉處理(刀具干涉處理的算法另文討論)。本文僅討論正向切削外表面時粗加工刀具軌跡生成的算法。
2 刀具軌跡生成的算法
由于粗加工刀具軌跡規(guī)劃是從毛坯開始的，因此生成刀具軌跡時必須考慮毛坯的形狀，并且隨著工步的不同，其毛坯的形狀也是不同的，此即工藝毛坯。由于在軌跡生成前已經(jīng)進行過刀具干涉的處理，所在刀具軌跡生成時主要考慮的是零件圖形的特征。經(jīng)過零件圖的預處理后，零件圖形是由直線和圓弧所構(gòu)成的連續(xù)表面，其中的關(guān)鍵是對圖形中凹槽的識別和處理。
如圖2所示，零件圖形經(jīng)過處理后，其粗加工的
外表面輪廓為ABCDEPFGHIQJKM，經(jīng)刀具切削方向為左時干涉處理后，其輪廊為ABCDPEFGHQJKM，其陰影部分為欠切削部分，在下一工步加工時，反向走刀切削時的刀具的起點分別為P點和Q點，通過反向向右走切切除其殘留部分，從而形成所要求的零件輪廓QIH和PED。
圖2
經(jīng)過零件圖的預處理和刀具干涉處理后，對外表面輪廓粗加工切削的刀具軌跡生成算法如下：
(1)將零件圖形轉(zhuǎn)化為一單調(diào)不減的輪廓。如圖2，從切削加工工藝給定的加工起始點開始，逐線段檢查其起點和終點z坐標的大小。當線段的終點x坐標小于其起點的x坐標時，此時輪廓由上升的曲線轉(zhuǎn)為下降的曲線，將其后遞減的輪廓曲線用過峰值點的水平線DD'代替圖中凹槽DEPFD，依此類推，分別識別出零件所有的凹槽，將整個零件轉(zhuǎn)化為一單調(diào)不減的輪廓曲線，如圖中ABCDD'，GHH'-KM的輪廓曲線，根據(jù)切削加工工藝所確定的起點和終點的刀具切入和切出時的方向，將所要切削的部分構(gòu)成一封閉圖形。如圖2由輪廓ABCDD'GHH'GHH'KM，毛坯輪廓 A'B'C'(工藝毛坯輪廓)及AA'和MC'構(gòu)成，對這一封閉圖形，按照切削方向、切削深度等參數(shù)確定此時刀具的軌跡。當切削的方向為水平向左時，其步驟為：①確定刀具切削加工的封閉圖形區(qū)域。②處理邊界線。在封閉圖形中如有和刀具走刀方向相同的線段則將其剔除，將零件輪廓線作為左邊界，其余部分為右邊界，用過左邊界節(jié)點的水平線與右邊界相截，求其對應(yīng)的點；同樣，對左邊界進行同樣的處理，此時左右邊界為具有相同段數(shù)，且每段起止x坐標相同的輪廓線。③確定刀具的切入點和切出點。用等距(其距離即為切削深度)的水平直線分別與左右邊界求交點，右交點即為刀具切削被加工零件時的切入點，圖2中的XP，其左交點與上一左交點間的曲線即為零件的輪廓曲線。圖2中的XL-XLL，刀具的軌跡即為零件的輪廓曲線，切出點為上一左交點，如圖2中的XLL點。④確定刀具返回時的軌跡。此軌跡為刀具的空行程軌跡，如圖中XLL-S-T。⑤
重復上述過程直至到達輪廓的起點。
(2)凹槽輪廓處理，如圖2，從給定的零件起點開始搜索，當線段的終點x坐標，大于其起點的x坐標時，即為一谷點，繼續(xù)向后搜索直到峰值點，此由峰峰點間的線段所構(gòu)成的輪廓即為凹槽，此時所要切削的部分是由工藝毛坯輪廓和經(jīng)處理后零件輪廓構(gòu)成的一封閉圖形，刀具的切入和切出點即為二條曲線的交點，如圖中2的D點和D'點，對這一封閉圖形的加工，其算法同(1)所述。
(3)欠切削部分的切除，為避免刀具干涉，在某一方向切削時隨零件的輪廓形狀不同，有可能產(chǎn)生欠切削的殘留部分，如圖中的陰影部分。為此在零件的加工工藝中，通過反向走刀切削切除其殘留部分。此時的切削部分是由工藝毛坯和留有精加工余量的零件輪廓所構(gòu)成的一封閉圖形，刀具的切入和切出點即為二條曲線的交點(圖2)，對這一封閉圖形的加工刀具軌跡的生成算法同(1)所述相同。
(4)對于切削方向為向右和向下時，其刀具軌跡的生成算法和向左切削時相類似。
零件外表面粗加工刀具軌跡生成的流程圖見圖3。
圖3
