面向自由曲面五轴数控侧铣的刀具形状与运动路径全自动初始化方法

为解决5轴CNC侧铣自由曲面时刀具形状和运动路径初始化依赖人工、导致结果次优的问题，研究人员提出了一种全自动同步初始化方法。该方法通过空间体素化和离散距离场高效采样候选刀具轴线，结合图算法生成可行路径序列，并优化多路径共享的单一刀具形状。实验证明该方法能自动生成高精度加工方案，显著提升自由曲面加工的覆盖效率和质量，为复杂曲面加工提供了创新解决方案。

　　

在高端制造业中，5轴CNC（计算机数控）侧铣技术因其高材料去除率和优异表面质量，被广泛应用于航空发动机叶片、船舶螺旋桨等复杂自由曲面零件的加工。然而，传统方法面临两大瓶颈：一是刀具形状与运动路径的初始化依赖人工经验，导致解空间探索受限；二是非可展曲面难以维持刀具与加工面的持续切向接触，严重影响精度。

针对这些问题，国内某研究机构在《Graphical Models》发表的研究提出了一种革新性解决方案。研究人员摒弃了人工指定刀具或路径的传统模式，首创了基于几何特征的全自动初始化框架。通过空间体素化（Voxelization）和离散距离场构建高效采样环境，结合图论算法生成路径序列，并创新性地将单刀具多路径协同优化融入流程。

关键技术包括：（1）设计空间体素化与距离场耦合的刀具轴线采样方法；（2）建立基于表面分区的局部可达性评估模型；（3）开发多层级图结构实现路径序列生成；（4）集成单刀具-多路径联合优化算法。研究选用工业基准模型和典型自由曲面验证性能。

【4.1 刀具轴线线段生成】
通过包围盒扩展和体素细分构建采样空间，利用法向射线交集筛选有效体素。在距离场支持下，以36个方向/体素的密度生成候选线段，通过切向移动性（Tangential Mobility）评估过滤不合理轴线，保留θ_l≥θ_E的优质候选。

【4.2 运动路径的线序列生成】
采用K-means对线段按距离函数分层后，建立基于表面区域邻接的图结构。通过局部坐标系分析移动趋势，剔除方向冲突的邻接线段，最终生成具有连续运动特征的G¹连续路径。

【4.3 多道次加工路径选择】
在每层级中计算路径覆盖贡献度，采用贪心算法选择最小重叠的路径组合。实验显示，相比人工初始化方法，该方案使表面覆盖率提升23%，工具更换次数减少67%。

【4.4 刀具与路径协同优化】
创新性地将单刀具形状优化扩展到多路径场景，通过同步调整径向函数r(s)使同一刀具适配不同路径。优化后最大轮廓误差控制在0.02mm内，较传统方法精度提升40%。

该研究突破了人工初始化的局限，首次实现刀具形状与运动路径的联合自主生成。通过空间离散化与图算法的创新结合，将解空间探索效率提升2个数量级。特别值得注意的是，多路径共享刀具的优化策略显著降低了实际加工中的换刀耗时，为复杂曲面高效精密加工提供了新范式。工业测试表明，该方法在叶片类零件加工中可实现μm级精度，对航空航天领域高价值零件制造具有重要应用价值。