摘要：多轴联动数控加工编程是大型雕塑曲面零件加工的最重要任务之一。本文介绍五轴联动数控加工大型雕塑曲面编程中涉及到的刀位轨迹计算、切削仿真、机床运动碰撞仿真、后置变换等关键技术。针对这些技术进行研究开发，实现了大型水轮机叶片的五轴联动数控加工，并成为叶片加工的编程工具。

1.引言

大型雕塑零件的数控加工是一项非常艰巨的任务，如大型水轮机叶片、螺旋桨叶片等是由多张雕塑曲面组成的封闭曲面体零件，其加工面积从几平方米到数十平方米。采用五轴联动数控加工是目前最有效的加工方法，但是通用CAD/CAM软件并不能完全或者很好地解决这类复杂雕塑曲面零件的五轴联动加工编程问题[1]。大型雕塑曲面零件的数控加工编程是实现其数字化制造的关键技术之一[2]，它涉及加工工艺规划、计算机技术、数学、计算几何、微分几何、人工智能等众多学科领域的知识，其数控编程过程是一个数字化仿真评价及优化的过程。雕塑曲面零件的数控编程是在几何造型和加工工艺规划的基础上，在计算机上进行刀位轨迹计算、仿真、优化并验证加工过程，以有效地生成满足五轴联动加工要求的高质量数控加工程序。大型雕塑曲面零件数控加工编程涉及多方面的技术，其关键技术包括[1-5]：①雕塑曲面的三维几何造型；②根据零件上各张雕塑曲面的性态，合理地进行刀位轨迹规划和计算；③切削仿真与刀具干涉检验；④机床运动仿真与碰撞干涉检验；⑤机床运动的后置变换；

2. 大型雕塑曲面零件数控加工编程的流程

大型雕塑曲面零件的五轴联动数控加工编程比一般零件加工编程复杂得多，主要采用离线编程方式。为了保证数控加工程序的可靠性，一般采用针对具体的加工对象特点和要求，在通用的CAM软件进行二次开发来完成刀位轨迹计算、切削仿真与机床运动仿真。各具体的雕塑曲面零件虽然有独自的特点，但是这类零件的数控加工中编程过程基本一致。以大型叶片类零件为例[2]，我们在SDRC/ Camand®软件上进行开发实现的的编程过程如图1所示。

3. 大型雕塑曲面五轴联动数控加工的刀位轨迹生成

五轴联动数控加工的刀位轨迹计算是大型雕塑曲面零件加工中一个很重要的问题，为了获得好的表面质量和高的加工效率，要求在零件上不同区域的曲面形状需要采取与之相适应的加工方式。高质量的刀具轨迹生成方法除应保证编程精度和无干涉外，同时应满足通用性好、加工效率高、代码量小等等条件。对于雕塑曲面的多轴联动端铣加工，均采用行切加工方式，各种行切加工方式均可归结为曲面上曲线的加工问题，这样就提出了如何根据加工的曲面生成正确的刀位轨迹的问题。由曲面模型生成无干涉刀位数据主要有以下几种方法：曲面模型→无干涉CC数据→CL数据；‚ 曲面模型→多面体模型→CL数据；ƒ 曲面模型→偏置面模型→CL数据；„ 曲面模型→CC数据→无干涉CL数据。经分析，在大型雕塑曲面的五轴联动加工中一般采用第„种方法生成刀位数据，其刀位数据的生成过程如图2所示的流程。

 五轴联动加工的刀位轨迹规划

第一步、针对雕塑曲面零件的各张曲面的特点，进行合理的刀位轨迹规划和计算，是在保证加工质量要求的前提下高效率加工出大型零件关键的技术之一。如大型叶片数控加工的刀位轨迹规划中，首先应考虑叶片的流体动力特性，确定和优化走刀路径。

第二步、应根据叶片曲面几何设计要求，控制和合理分配误差，采用适合各曲面的刀具几何形状和参数，合理确定走刀步长和走刀行距计算出刀具切触（CC）点的数据。

大型曲面加工可采用等残余高度规划法搜索计算相邻的CC轨迹，完成走刀行距计算。在大型雕塑曲面的刀位轨迹规划中既要严格控制加工误差，又要尽可能提高加工效率。目前的CNC系统在五轴联动控制时一般只有线性插补功能，而五轴联动加工的各轴的联动规律是复杂的非线性关系，在CAM系统中，由弦弓高误差来近似确定加工误差和进给步长，而没有考虑回转轴的摆动长度对加工误差的影响。另外在大型叶片加工中，回转轴的摆动长度一般都相对较大，这些非线性误差对大型雕塑曲面加工加工尤为重要，可采用考虑三维非线性误差来计算走刀步长。

第三步、应根据各曲面的曲率分布情况，确定合理的刀轴