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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）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,(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,.
利用逆向工程对复杂曲面进行数控加工，主要利用CAD系统生产的CAD模型与NC加工程序等，是当前一种比较成熟且应用范围较为广泛的复杂曲面加工技术。该项技术主要是利用三维数据扫描，在扫描过实物之后，在计算机设备中进行建模和完善，生成NC程序，并与数控加工机床产生通讯，从而快速的完成产品模式的制造。在加工复杂曲面过程中使用此种方法，不仅可以提高曲面的制作速度，还能够对CAD模型进行再次创新。因此，对该项加工技术进行具体研究，对于推动制作和模型设计行业的发展具有重要作用。
1、数字化的扫描技术
一般情况下，主要通过接触式与非接触式方法来采集三维数据，其中，接触式测量方法包括连续式的数据采集和点位触发式的采集数据方式。在接触式采集中，电位触发式采集方式的采集速度比较慢，只适用于需要数据量少的表面数字化或者是检测零部件表面形状等场合；连续式采集法的采集速度比较快，可以应用在一些需要大规模采集数据的场合。从效果上来看，接触式测量具有精确度高、操作简便、采集成本低以及抗干扰能力强等优势，但由于该方法在测量过程中存在接触压力，所以在测量一些质地比较柔软的零件时，容易产生误差较大的测量结果；并且，该方法的测头半径还存在着三维补偿的问题。非接触式的测量方式由于测头不需要与其测量物体的表面直接接触，主要依靠激光、电磁场和声波等方式来传播数据，所以不会产生接触压力。目前，常见的测量方式主要有：以激光作为传播媒介的断层扫描测量和激光三角形测量法。与此同时，非接触测量还拥有测量速度快、测量过程中不会损坏零件表面、测量距离远、对测量环境要求低、不存在三维补偿问题以及适用于测量弹性较大或者是质地较为柔软的零部件等优势，这也使得该项测量技术在近些年得到了快速的发展[1]。
2、数据预处理
受设备自身缺陷或者是零件表面质量等方面因素的影响，使得获取测量数据的过程中经常会出现坏点或者是跳点，而为了保证数据结果的精确性，需要在重构CAD模型前，对获得的数据进行预处理[2]。数据预处理主要包括以下几个方面：一是消除掉测量数据中存在的噪声点；二是对数据中缺失的信息进行插补；插补数据中缺失的信息；三是优化数据信息，除掉多余的数据；四是对在不同定位点得到的测量数据进行归类和统一处理，并且，对于接触式测量得到的数据还需要消除掉测头半径产生的影响因素，保证数据的光整性。
3、重构CAD模型
当CAD模型曲面被数字化之后，就会在空间范围内形成一系列的离散点，而重构CAD模型，就是要以这些离散点为基础，将计算机设备作为辅助，利用与几何模型设计的相关基础对CAD模型的曲面进行重新构建。一般情况下，如果重构的是复杂曲面，不可以只利用一张曲面来拟合全部数据点，而是要以曲面原型具有的全部特点为依据，将测量的数据点划分成几块不同的区域，并在各个区域内拟合出不同种类的.曲面，再利用曲面过渡或者是求交的方式将不同的曲面连接成一个整体[3]。在逆向工程技术中，重构CAD模型曲面的方式有三种：第一，以NURBS或者是B-spline曲线为基础的方法；第二，以三角Bezi-er曲面为基础的方法；第三，以多面体来描述曲面物体的方法。其中，由于以NURBS曲面为基础的方法能够通过权因子和控制点改变曲面的形状，且具有较高控制局部形状的能力，所以，此种方式是当前一种比较先进的CAD模型重构法。
4、使用CAM生成曲面数控加工的刀具轨迹
该方法既是当前加工复杂曲面零件技术中最重要的一种，也是研究深度最广的一种，其加工的质量、效率和可能性主要是由是否可以形成有效刀具轨迹所决定的。就目前来看，应用范围比较广泛的CAD软件类型相对较多，但无论哪一种方法，其生产刀具轨迹的方式大致相同。其中，常用的方法有：第一，截面线加工。该加工法是采用在一种平行的平面或者是一组曲面上去掉或者是切掉被加工的表面，截出一系列需要应用到的交线，然后让被加工曲面和刀具的接触点沿着交线运动，来完成曲面加工的。但由于求取曲面和曲面的交线比较困难，所以一般都在平面上选取截面。第二，等残留高度加工。主要是通过讨论在对球头刀进行三轴加工是采用等残留高度的计算方法来计算步距，在保证相邻的两个轨迹之间残留的高度值都等于最大的残留高度的基础上，以增加加工步距的方式来缩短轨迹的长度，从而达到节约加工时间，提高复杂曲面加工效率的目的。
5、结论
作为当前产品开发设计和制造技术中的一种核心技术，逆向工程是模型设计与制造领域专业人员的一个重点研究方向。以逆向工程技术为基础，在CAD集成技术和计算机网络技术的支持下重构复杂曲面，不仅可以减少产品开发花费的时间，还能够提高产品的生产质量，有效解决产品在复杂曲面设计方面的相关问题，从而使得相关企业的生产效率和核心竞争力得到极大的提升。因此，基于逆向工程技术，对复杂曲面的数控加工技术进行研究，对于推动社会经济发展进步具有极高的现实意义。
参考文献：
[1]黄斌达,王琦,陈发威.复杂曲面零件的逆向建模及数控加工仿真的研究[J].组合机床与自动化加工技术,2010,12(12):97～100.
[2]关晓冬.浅析复杂曲面数控加工技术及其应用[J].电子世界,2014,08(10):256～257.
[3]陈子银.基于逆向工程的玩偶数控加工技术探讨[J].机电信息，2014，24(08):90～91.
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