數(shù)控加工中包括刀具軌跡的產(chǎn)生和刀具選擇兩個(gè)關(guān)鍵問題。前一問題在過去的20 年里得到了廣泛而深入地研究慕淡， 發(fā)展的許多算法已在商用CAD/ CAM 系統(tǒng)中得到應(yīng)用背伴。目前大多數(shù)CAM 系統(tǒng)能夠在用戶輸入相關(guān)參數(shù)后自動(dòng)產(chǎn)生刀具軌跡。比較而言峰髓，對(duì)以質(zhì)量傻寂、效率為優(yōu)化目標(biāo)的刀具選擇問題的研究還遠(yuǎn)未成熟，當(dāng)前還沒有商用CAM 系統(tǒng)能夠提供刀具優(yōu)選的決策支持工具携兵，因而難以實(shí)現(xiàn)CAD/ CAM 的自動(dòng)有機(jī)集成崎逃。刀具選擇通常包括刀具類型和刀具尺寸。一般來說眉孩，適合一個(gè)加工對(duì)象的刀具通常有多種个绍，一種刀具又可完成不同的加工任務(wù)，所以僅考慮滿足基本加工要求的刀具選擇是較容易的浪汪，尤其對(duì)孔巴柿、槽等典型幾何特征。但實(shí)際上书吗，刀具選擇通常和一定的優(yōu)化目標(biāo)相聯(lián)系栓属，如最大切削效率、最少加工時(shí)間女践、最低加工成本周矢、最長使用壽命等，因此刀具選擇又是一個(gè)復(fù)雜的優(yōu)化問題盹斟。比如模具型腔類零件沟赏，由于幾何形狀復(fù)雜(通常包含自由曲面及島) ，影響刀具選擇的幾何約束在CAD 模型中不能顯式表示焰垄，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法進(jìn)行提取提钟，因而選擇合適的刀具規(guī)格及其刀具組合，以提高數(shù)控加工的效率與質(zhì)量并非易事藐檀。

　　模具型腔一般用數(shù)控銑的加工方法锻转，通常包括粗加工、半精加工、精加工等工序稽羔。粗加工的原則就是盡最大可能高效率地去除多余的金屬侍瑟，因而希望選擇大尺寸的刀具，但刀具尺寸過大丙猬，可能導(dǎo)致未加工體積的增多;半精加工的任務(wù)主要是去除粗加工遺留下來的臺(tái)階;精加工則主要保證零件的尺寸及表面質(zhì)量丢习。考慮到目前完全由計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)選刀還存在一定困難淮悼，因而在我們開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助刀具選擇(Computer Aided Tool Selection ，CATS)系統(tǒng)中揽思，立足于給用戶提供一個(gè)輔助決策工具袜腥，即粗加工、半精加工钉汗、精加工等羹令，真正的決策權(quán)仍留給用戶，以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)和人的優(yōu)勢(shì)损痰。

　　1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

　　CATS系統(tǒng)的輸入為CAD模型福侈，輸出為刀具類型、刀具規(guī)格卢未、銑削深度肪凛、進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速(切削速度) 和加工時(shí)間等六個(gè)參數(shù)(如圖1) 躏宗，包括刀具類型選擇輔助決策工具邦霸、粗加工刀具選擇輔助決策工具、半精加工刀具選擇輔助決策工具及精加工刀具選擇輔助決策工具等根爆。

　　鑒于粗加工在型腔加工中的重要地位(通常為精加工時(shí)間的5～10 倍) 幕封，粗加工時(shí)系統(tǒng)具有刀具自動(dòng)優(yōu)化組合的功能，以提高整體加工的效率英鸵。除了上述決策工具外铁磕，系統(tǒng)還具有查看刀具詳細(xì)規(guī)范、根據(jù)刀具類型和尺寸推薦加工參數(shù)及評(píng)估加工時(shí)間等功能酿边，最后生成總的刀具選擇結(jié)果報(bào)表 剖宪。系統(tǒng)所有的刀具數(shù)據(jù)及知識(shí)均由后臺(tái)數(shù)據(jù)庫做支持。

　　2 關(guān)鍵技術(shù)及算法

　　1) 刀具類型選擇

　　根據(jù)模具型腔數(shù)控加工實(shí)踐恶恨，型腔銑加工的刀具一般分為平頭銑刀威沙、圓角銑刀及球頭銑刀三種。設(shè)刀具直徑為D柬乓，圓角半徑為r 攘活，當(dāng)r=0 時(shí)為平頭銑刀

　　刀具又可分為整體式和鑲片式。對(duì)于鑲片式玄呛，關(guān)鍵是選取刀片的材質(zhì)阅懦，刀片材質(zhì)的選擇取決于三個(gè)要素：被加工工件的材料和二、機(jī)床夾具的穩(wěn)定性以及刀具的懸臂狀態(tài)。系統(tǒng)將被加工工件的材料分為鋼耳胎、不銹鋼惯吕、鑄鐵、有色金屬怕午、難切削材料和硬材料等六組废登。機(jī)床夾具的穩(wěn)定性分為很好、好郁惜、不足三個(gè)等級(jí)堡距。刀具懸臂分為短懸臂和長懸臂兩種，系統(tǒng)根據(jù)具體情況自動(dòng)推理出刀片材質(zhì)兆蕉，決策知識(shí)來源于WALTER刀具手冊(cè)羽戒，系統(tǒng)由用戶首先交互選擇刀具類型。對(duì)鑲片式刀具虎韵，基于規(guī)則自動(dòng)推理出合適的刀片材質(zhì)巷况。例如，如果被加工工件的材料為“鋼”扣飘，機(jī)床夾具的穩(wěn)定性為很好诵捏，刀具懸臂為短懸臂，則刀片材質(zhì)應(yīng)為WAP25 杀蝌。

　　2) 粗加工刀具組合優(yōu)化

　　型腔粗加工的目的就是最大化地去除多余的金屬榛青，通常使用平頭銑刀，采取層切的方法惯醇。因此曙惋，3D模具型腔的粗加工過程，實(shí)際上就是對(duì)一系列2.5D模具型腔的加工款野。刀具優(yōu)化的目的就是要尋找一組刀具組合妙声，使其能夠以最高的效率切除最多的金屬。刀具組合優(yōu)化的基本方法如下：

　　a. 以一定的步長做一組垂直于進(jìn)刀方向的搜索平面與型腔實(shí)體相交侮增，形成若干搜索層年铝。

　　b. 求出截交輪廓。

　　c. 計(jì)算內(nèi)外環(huán)之間或島與島之間的關(guān)鍵距離月腋，即影響刀具選擇的幾何約束

　　d. 根據(jù)合并原則(相鄰關(guān)鍵距離相差小于給定閾值) 對(duì)搜索層進(jìn)行合并蟀架，確定加工平面和可行刀具集，形成加工層榆骚。

　　e. 確定每一加工層使用的刀具片拍，即型腔加工的刀具組合。

　　f. 根據(jù)刀具推薦的加工參數(shù)(切削速度、銑削深度和進(jìn)給速度) 捌省，計(jì)算材料去除率苫纤。

　　g. 根據(jù)加工層實(shí)際切除的體積，計(jì)算每一加工層的加工時(shí)間纲缓。

　　h. 計(jì)算型腔總的加工時(shí)間和殘余體積卷拘。

　　i. 對(duì)該組刀具組合的總體加工效率進(jìn)行評(píng)估。

　　j. 重復(fù)a～i祝高，直至求出最優(yōu)的刀具組合栗弟。如以時(shí)間為目標(biāo)，即要求以整個(gè)型腔的加工時(shí)間t 最短來優(yōu)化刀具組合工闺≌Ш眨基于上述方法，可建立如下形式化的優(yōu)化模型般六。

　　考慮到不同的搜索平面步長會(huì)產(chǎn)生不同的加工層，從而導(dǎo)致不同的加工時(shí)間和殘余體積饵卸，因此有時(shí)盡管總的加工時(shí)間較短铲苹，但殘余體積可能較多。由此可見驻奇，單獨(dú)以加工時(shí)間為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化有時(shí)并不一定科學(xué)镐刽。為此，提出了效率系數(shù)的概念峰抽，綜合考慮了加工時(shí)間和殘余體積的因素汪阱，加工時(shí)間越短，殘余體積越少榛开，則效率系數(shù)就越高瘟甩。令：

　　上式中前一項(xiàng)反映了加工單位體積的時(shí)間系數(shù)，其中k =DV/V 為殘余體積百分?jǐn)?shù)姚锥。這樣询崇，效率系數(shù)可定義為q = 1/ Q 。

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