摘要：曲面数控加工是零部件制造的重要组成工艺，普遍存在效率和尺寸精度低、制造成本高等问题。鉴于此，现研究了传统的曲面加工工艺和刀具轨迹控制算法，利用刀具接触和位置路径CAPP系统来优化数控切削过程，通过专家决策和人工智能推导出了最优的刀具位置路径和数控加工代码。加工测试表明，改进后的数控切削走刀干涉量小，加工效率和尺寸精度明显提高，能满足复杂曲面刀具切削规划要求。
关键词：曲面；数控加工；刀具位置轨迹；CAPP；人工智能
引言
“中国制造2025”和“互联网+”背景下，整体制造业面临的竞争压力越来越大，企业既要控制生产成本和质量，又要不断优化、创新制造工艺体系，力求摆脱“大而不强”的制造现状。在汽车配件、航空发动机、船舶叶轮和模具型腔等复杂零件曲面的数控切削加工过程中，通常借助自动编程CAM，模拟刀具接触三维零件的参数模型，利用偏置曲线不断修正得到的切削轨迹。但该轨迹的生成过分依赖模拟刀具接触算法，不可避免地会造成CNC代码错误。因此，为确保数控切削复杂曲面的精度、效率和加工成本，可利用人工智能和CAPP优化控制CAM刀具接触计算过程，以获得满意的刀具切削轨迹和CNC加工代码。
1改进的曲面加工工艺
改进的数控加工曲面工艺过程如图1所示。工艺人员利用计算机和CAD获取零件（曲面）的参数化模型，对模型进行图样和工艺分析，确定行距和步长，初步规划刀具路径，刀具与曲面接触形成刀具接触路径，通过曲面及后置处理不断修正刀具的位置路径，通过CAM系统生成加工程序。改进的刀具轨迹即在生成加工程序前，利用人工智能和CAPP优化刀具位置路径，借助线性、插补及经验等优化位置运动关系。
2刀具轨迹控制算法
数控加工曲面的刀具轨迹算法有等参数轨迹法、截面线法、等残余高度法、多面体法等，实际切削时需要同时考虑实际切削和辅助切削路径[1-2]。2.1等参数轨迹规划等参数轨迹规划有参数筛选、等参数步长、参数线等分及对分、局部等参数步长等方法，多适用于网格较为规整的参数曲面加工。其原理是对规整的曲面沿参数线方向作Bezier曲线细分，获取细分点后用作刀具与曲面的接触点，以辅助形成刀具的接触路径F=F（u，v）。等参数轨迹规划计算方法简单，执行速度较快，但Bezier曲线细分不均匀时，获取的刀具接触路径可靠性较低，容易产生重复的接触路径。2.2截面线轨迹规划截面线轨迹规划多采用球形刀加工，其加工轨迹沿截面切割零件（曲面）表面形成的一系列接触点运动。截面多选择平面或回转曲面，且回转曲面的直母线要垂直于零件（曲面）表面。在直角坐标中，若截面切割零件（曲面）表面满足方程C（t）=S（U（t））=S（u（t）,v（t）），给定第k条截面线Uk（tk）时，与其平行的等间距Δm增量为Uk+1（tk+1）=（uk+Δuk，vk+Δvk），则给定u0和v0时，可获得初始曲线：鄣S鄣uu0-uminvv+鄣S鄣vv0-vminvvvv•M=Δm2.3等残余高度轨迹规划等残余高度轨迹规划是通过控制残余材料的高度分布来降低加工零件（曲面）误差。当改变刀具步距时，刀具沿零件（曲面）表面行进的高度误差一致，刀具间不会发生干涉和重叠。初始接触路径选择零件（曲面）边线为参考，每次生成的接触路径都基于前一次接触轨迹的控制和在线计算。2.4多面体轨迹规划多面体轨迹规划主要适用于逆向工程，通过一系列切点拟合复杂的零件（曲面）模型。其基本原理是先通过离散化将零件模型分为有限个三角片，切削时，校验刀具与零件（曲面）表面每个三角片几何条件间的干涉关系，根据刀具和三角片的干涉量修正刀具接触路径。若刀具球头半径和零件（曲面）允许加工误差之和不超过刀具接触点与球头中心距，对应的刀具与零件（曲面）表面接触点不能被加工，需要换球头半径较小的刀具对该区域进行加工。
3刀具轨迹生成及其优化改进
刀具位置轨迹的生成需要综合考虑刀具的接触路径，分析刀具接触轨迹和几何性质、零件（曲面）的曲率和局部几何性质，确定刀具与零件（曲面）间的运动、运动特征、刀具在运动过程中局部坐标变换和建立切削扫描零件（曲面）模型等。数控加工过程中，曲面造型多采用B样条NURBS曲面的参数化设计方法[3]：对刀具接触轨迹形成的刀位点数据进行拟合公差运算，确定NURBS曲面优化步长的收敛条件；设定初始控制刀位点数，由零件（曲线）在齐次坐标系中的切矢计算刀位顶点；根据弧长和弦长之比计算节点矢量，考虑插值条件，计算刀具轨迹的控制顶点，并通过NURBS曲线逼近，减少初始控制刀位点数限制；若加权后刀位点偏差范数大于拟合精度，算法返回重新计算刀具轨迹的控制顶点，并进一步逼近NURBS曲线，反之，利用NURBS曲线公式计算对应刀位点序列，当拟合精度满足规定值范围，输出优化后的刀位顶点。优化改进刀具轨迹考虑积累的专业经验，由刀具接触和位置轨迹CAPP作用于刀具接触轨迹和位置轨迹的生成，如图2所示。刀具接触和位置轨迹CAPP基于专家推理和规则判断，工艺人员通过编辑器编译知识和专家决策规则，CAPP系统输入为CAD生成的参数化模型、CAM生成的刀具接触和位置路径、数控加工代码等，系统输出为优化处理后的刀具位置路径和数控加工代码。数据库系统存储对应规则，并解析参数化模型、CAM生成的接触轨迹和数控加工代码，通过决策规则选取解析后数据特征参数，由专家系统（人工智能）推理后，输出对应的刀具运行特征（运动特征线、局部变换坐标和位置路径），并将该类运动特征反馈回数据库与历史经验相比较，通过专家决策推导出最优的位置路径和数控加工代码。基于等残余高度、图2所示的人工智能和专家推理，生成零件（曲面）的刀接触和位置轨迹流程如图3所示。等残余高度规划刀接触路径选择最长的边界曲线为初始刀具路径Si（i=1），人工智能和专家推理CAPP负责优化推理切削带参数Uk+1（uj，vj）和刀具坐标，便于调整刀具位置和方向角。
4数控切削效果
球刀半径20mm，误差0.08mm，数控加工某一曲面零件，如图4所示，实际加工能更好地拟合刀具位置路径控制，且应用图3的人工智能和专家推理优化后加工误差可控制在0.05mm以内，走刀干涉量小，加工效率高。5结语复杂曲面的数控加工一直是制约汽车及航空发动机、船舶叶轮、模具型腔等零配件精度、质量和制造成本的关键。由于曲面实体结构和参数化模型的复杂性，数控加工不能保证高度完备的切削成形，其中曲面加工工艺和刀具轨迹算法依赖的CAM系统往往存在干涉问题而影响数控加工精度和效率。在此背景下，提出了基于人工智能和专家推理的刀具接触和位置路径CAPP系统，借助该系统，辅助CAM推导最优的刀具位置路径和数控加工代码，可控制曲面数控加工的效率、成本和尺寸精度。
［参考文献］
[1]程耀楠，安硕，张悦，等.航空发动机复杂曲面零件数控加工刀具轨迹规划研究分析[J].哈尔滨理工大学学报，2013，18（5）：30-36.
[2]胡鹏，胡春燕，蒋念平.二维激光连续切割移动材料路径算法及约束[J].中国激光，2014，41（10）：113-118.
[3]籍亚红.自由曲面数控加工中的刀具路径规划[D].沈阳：沈阳工业大学，2008.
作者：夏云 单位：扬州高等职业技术学校
