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在现代工业中，自由曲面在产品设计中的应用越来越广泛。五轴数控(CNC)铣削是加工复杂曲面并达到高精度的最有效方法之一。刀具选择是工艺设计中的重要步骤，它不仅影响加工效率，对加工表面的质量也起着关键的作用。然而，由于自由曲面五轴加工中复杂的曲面形状和刀具运动，刀具选择成为一项耗时且容易出错的工作。随着现代CNC加工中心中自动换刀装置的出现，利用刀具的组合加工整个曲面的方法就变得相当有吸引力。与使用单个刀具加工自由曲面相比较，采用刀具组合加工可在保证加工精度的情况下大大减少加工时间和加工费用。
虽然CAD/CAM在过去几十年发展迅速，大多数CAM系统仍需用户自己输入刀具的参数，已报告的自动选择刀具组合的算法集中在三轴加工的应用。为了确保五轴数控机床进行高效率和高质量的切削加工，本文针对自由曲面五轴数控加工提出了最优刀具组合自动选择的算法，该算法主要包含以下内容：
(1)分析刀具在曲面上的干涉情况。将加工曲面离散成一系列的特征点，在每一特征点上，通过在局部坐标系中调整刀具的两个转动角度来避免刀具的干涉，同时构建出刀具自由姿态的范围。如果在一点上刀具自由姿态范围非空，则表明刀具可无干涉的对该点进行加工。
(2)划分曲面为若干不同特性的区域。刀具在曲面上存在若干个干涉区域和无干涉区域，为进行刀具组合选择和加工路线生成，本文提出了基于边界追踪的方法划分不同特征区域的算法，该算法输入刀具在曲面上每点的干涉情况，输出是每个由相邻无干涉的点构成的无干涉区域，具体步骤如下：一，将曲面转化为栅格曲面并根据输入的刀具在每点的干涉情况将栅格分为目标点和背景点；二，将栅格曲面转化为行程编码；三，根据行程编码进行边界追踪；四，在提取的边界基础上，对刀具在曲面上的无干涉点进行区域划分。区域划分的实现为刀具组合选择奠定了基础。
(3)构建出五轴加工时间估算模型。在切削加工中，加工曲面的面积越大，切削宽度越小，则需越长的加工时间，而刀具的直径越小，倾斜角度越大，切削宽度就越小。基于加工时间与其相关影响参数的分析，本文建立了估算五轴加工时间的模型，使得评估刀具组合的加工效率有了依据。
(4)提出最优刀具组合满足的条件。为了确保刀具组合加工自由曲面具有足够的加工精度和加工效率，最优刀具组合应满足以下条件：第一，采用该组合的整体可以无干涉地加工整个曲面；第二，该组合中的每把刀具都有一个或多个足够大的有效加工区域以保证加工曲面的连续性；第三，采用该组合的整体加工曲面可以实现最小的加工时间。
(5)提出最优刀具组合选择的方法。通过分析刀具的干涉性和最优刀具组合满足的条件，提出了自动选择最优刀具组合的方法：一，分析刀具的干涉情况，确定可用的刀具集合；二，列出所有的刀具组合；三，根据限制的每把刀具最小的有效加工区域面积，提取可行的刀具组合；四，选出加工时间最小的可行刀具组合为最优的刀具组合。
在自由曲面五轴数控加工中，利用本文提出的刀具组合选择算法可在保证加工表面质量的前提下实现最大的加工效率。该算法已经在Visual C++环境中实现并通过实例验证了该算法的有效性。