基于二维多边形统一框架的计算机辅助制造系统集成刀具路径生成、可加工性评估与切削力仿真

《Results in Engineering》：Unified 2D Polygon-Based CAM Framework Integrating Tool Path Generation, Machinability Evaluation, and Cutting-Force Simulation

本文推荐一项集成化计算机辅助制造(CAM)研究，研究者开发了一种基于二维(2D)多边形的统一框架，将刀具路径生成、可加工性评估、材料去除仿真和切削力预测整合到单一计算环境中。该研究利用卷积偏移算法实现三维几何体的精确偏移，通过三向切片聚合克服方向依赖性误差。实验验证表明，该方法仅使用CPU即可在一分钟内生成刀具路径，且切削力仿真与实测结果高度吻合，为开发硬件无关的数字化制造系统提供了高效可扩展基础。

　　

随着制造业对复杂曲面零件加工精度要求的不断提高，多轴数控机床的广泛应用使得端铣加工技术面临新的挑战。传统计算机辅助制造(CAM)系统在生成高效可靠数控程序时，严重依赖操作人员的经验来设定加工参数，难以实现全自动化。更关键的是，现有CAM系统中刀具路径生成、碰撞检测、材料去除仿真等模块通常采用不同的几何表示方法（如边界表示、体素化模型等），这种异构性导致工作流程碎片化，需要反复进行几何转换，阻碍了闭环验证优化。此外，虽然GPU加速能提升计算效率，但基于CUDA等特定硬件的实现方案限制了系统移植性。

为突破这些瓶颈，冈山大学研究团队在《Results in Engineering》上提出了一种创新的二维多边形统一CAM框架。该研究核心在于建立硬件无关的计算体系，将刀具路径生成、未加工区域检测、材料去除仿真和切削力预测等功能整合在统一的二维多边形几何建模方案中。

研究采用三项关键技术：首先，通过三向正交平面（xy、yz、zx）切片将三维模型离散为二维多边形集合，利用开源库Clipper2进行布尔运算和偏移计算。其次，提出卷积偏移算法，通过引入相邻截面关系进行三维膨胀收缩，实现与切片方向无关的精确偏移。最后，基于瞬时刚性力模型，通过检测切削刃点与二维多边形集合的交点进行切削力预测。

在几何计算验证部分，研究以圆环面模型为例，成功提取出刀具半径4mm无法加工的内圆角区域（半径3mm）。当切片间距为0.05mm时，与传统CAM软件生成的刀具路径对比显示，最大差异仅8.75μm，且超过99%的点差异在5μm以内。在中等配置CPU上，完整刀具路径生成时间仅需3.57秒，证明其计算效率可与GPU加速方案相媲美。

材料去除仿真结果表明，粗加工和精加工后的模拟形状与实际切削工件高度一致。特别是在切削力分析方面，研究通过九组测试切削识别出六项切削系数（K_tc、K_te、K_rc、K_re、K_ac、K_ae）。在稳态和瞬态切削区域，切削力F_x、F_y、F_z的仿真波形与实验测量结果高度吻合，瞬时波形匹配度尤佳。误差分析显示，平均力误差不超过7.58N，最大误差低于23.85N。

研究也指出了当前框架的局限性：几何精度依赖切片间距，目前仅支持三轴球头铣刀加工，切片间距固定未能根据几何复杂度自适应调整。作者计划后续集成加工误差分析模块，并向五轴加工和其他刀具类型扩展。

该研究的重要意义在于建立了硬件无关的集成化CAM平台，通过统一的二维多边形表示消除了传统多模块系统的几何转换瓶颈。卷积偏移算法实现了真正意义上的三维偏移计算，而切削力仿真与刀具路径生成的无缝衔接为工艺优化提供了新途径。这种框架为开发柔性数字化孪生制造系统奠定了坚实基础，有望显著降低对操作人员经验的依赖，推动智能制造技术向更高水平发展。