基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀轨生成方法技术

本发明专利技术公开了一种基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀轨生成方法。该方法以摆头转台类五轴数控机床为例进行阐述，首先建立刀位设计变量与刀位数据之间的关系方程，以及刀位数据与机床回转轴之间的运动变换方程，进而推导出刀位设计变量和机床回转轴之间的关系方程。然后，对于上述方程进行了分析和讨论，并推导出已知方程组中任意两个变量求解另外两个变量的公式，从而得到基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀位计算公式。在此基础上，给出了环形刀多轴加工复杂曲面刀轨生成算法的基本原理和计算流程。试验结果表明，该算法不仅能避免机床旋转轴大幅度变化和提高机床运动轴的进给速度，而且能获得较高的曲面加工质量，具有一定的实际应用价值。

【技术实现步骤摘要】
基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀轨生成方法
本专利技术涉及一种多轴数控机床加工复杂曲面的刀轨生成方法，尤其涉及一种基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀轨生成方法。
技术介绍
当五轴加工复杂曲面时，由于曲面几何性质较差，比如曲面的法向量、主方向、曲率等，因此容易导致所生成的刀具轨迹波动较大和刀轴矢量突变。即使采用球头刀五轴加工这些曲面区域，也会引起刀轴矢量的剧烈变化，从而影响机床运动的平稳性、超出机床进给轴的伺服能力和增大加工过程中的非线性误差等。因此，获得多轴数控加工中光滑的刀具轨迹和刀轴矢量成为曲面加工技术的重要发展方向。现有技术中，环形刀多轴加工复杂曲面刀轨生成方法有多种。现有技术一，刀轴倾斜法（SturzMethod），是在曲面刀触点处使刀具沿进给方向向前倾斜一个指定的角度来进行刀具定位。现有技术二，曲率匹配算法（CurvatureMatchedMethod），是一种在切触点附近使刀具运动的包络面截形线和理想工件表面截形线曲率相近或者相同的一种算法。上述现有技术至少存在以下缺点：上述两种刀具定位方法都严重依赖工件曲面刀触点处的几何性质（如曲面的法向量、主方向、曲率等），即使在局部坐标系中刀位设计变量保持不变，在工件坐标系或机床坐标系中刀具轨迹也可能发生突变或不光顺的情况，影响机床运动的平稳性、超出机床进给轴的伺服能力和增大加工过程中的非线性误差等，进而影响工件曲面的加工质量和加工效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有较高的加工效率和加工质量多轴数控机床加工复杂曲面的刀轨生成方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀轨生成方法，该方法包括以下步骤：A、建立刀位设计变量与刀位数据之间的关系方程，以及刀位数据与机床回转轴之间的运动变换方程，进而推导出刀位设计变量和机床回转轴之间的关系方程。B、根据上述关系方程，推导出已知方程中任意两个变量求解另外两个变量的公式，并根据工件曲面的特点和所使用多轴数控机床的具体结构特征，得到基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀位计算公式。C、基于上述刀位计算公式，计算得到环形刀多轴加工复杂曲面刀轨生成方法。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，该方法不仅能避免机床旋转轴大幅度变化和提高机床运动轴的进给速度，而且能获得较高的曲面加工质量。多轴加工复杂曲面刀轨生成方法的好坏将直接影响曲面的加工效率和加工质量，因此刀轨生成方法在曲面加工中具有十分重要的意义。本专利技术的基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀轨生成方法主要着眼于将机床一个回转角固定或保持不变来避免旋转轴运动的剧烈波动，使机床旋转轴运动更加平稳和光滑，从而提高了曲面的加工效率和表面质量。本专利技术刀轨生成算法可以直接通过将机床一个回转角固定或保持不变来避免旋转轴运动的剧烈波动，使机床旋转轴运动更加平稳和光滑，从而提高了曲面的加工效率和表面质量。附图说明图1为刀具初步定位示意图；图2为B-A′五轴摆头转台机床的结构示意图；图3为B-A′五轴摆头转台机床运动链示意图；图4为B-A′五轴摆头转台机床坐标系示意图；图5为参数域内刀轨排列的示意图；图6为本专利技术提出的刀轨生成算法的流程图。具体实施方式本专利技术的基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀轨生成方法，该方法以摆头转台类五轴数控机床为例进行阐述，其较佳的具体实施方式是，包括：步骤A、建立刀位设计变量与刀位数据之间的关系方程，以及刀位数据与机床回转轴之间的运动变换方程，进而推导出刀位设计变量和机床回转轴之间的关系方程。首先，刀具进行初步定位，如图1所示，建立刀位设计变量与刀位数据之间的关系方程：其中，(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)分别为局部坐标系OLX2Y2Z2的坐标轴X2、Y2和Z2在工件坐标系WCS中的单位矢量，θ为刀轴绕Y2轴旋转的偏航角，φ为刀轴绕Z2轴旋转的俯仰角。然后，根据所使用的摆头转台类五轴数控机床的具体结构特征，如图2-5所示，建立刀位数据与机床回转轴之间的运动变换方程：其中，(i,j,k)为刀轴方向矢量，A为摆头转台类五轴数控机床的旋转轴绕X轴的回转角度，B为摆头转台类五轴数控机床的旋转轴绕Y轴的回转角度。最后，推导出刀位设计变量和机床回转轴之间的关系方程：步骤B、分析和讨论上述关系方程-式(3)，推导出已知方程中任意两个变量求解另外两个变量的公式，并根据工件曲面的特点和所使用多轴数控机床的具体结构特征，从而得到基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀位计算公式。首先，通过分析和讨论上述关系方程-式(3)，并推导出已知方程中任意两个变量求解另外两个变量的公式。通过分析该方程组总共可以确定有六种求解情况：（1）已知θ和φ求解A和B，（2）已知A和B求解θ和φ，（3）已知φ和B求解θ和A，（4）已知φ和A求解θ和B，（5）已知θ和B求解φ和A，（6）已知θ和A求解φ和B。针对上述各种情况，都可以确定相应的计算公式。然后，根据工件曲面的特点和所使用多轴数控机床的具体结构特征,得到基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀位计算公式（可以根据上述6种具体情况确定不同的刀位计算公式）。假设本专利技术已知偏航角φ和B角，确定求解俯仰角θ、A角的关系方程。步骤C、基于上述刀位计算公式(4)和(5)，计算得到环形刀多轴加工复杂曲面刀轨生成方法。步骤C的具体计算流程如下：首先，要利用步骤B中得到的基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀位计算公式来进行刀具定位；然后，利用等参数线法、等截面线法或等残留高度法进行刀轨规划，并生成覆盖整个工件曲面的刀具轨迹。上述步骤C中刀具定位包括：将对所述的环形刀的刀心位置矢量和刀轴矢量进行确定；其中，e1=(x1,y1,z1)T，e2=(x2,y2,z2)T，e3=(x3,y3,z3)T。实施例：下面以加工叶片进排气边的刀轨生成方法为例，对本方法做进一步详细说明。基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀轨生成方法的具体计算步骤如下所述：通过分析给定的叶片进排气边曲面S:r(u,v)（u∈[0,1],v∈[0,1]）的几何性质，确定刀具走刀方向，在参数域中描述的工件曲面刀触点轨迹的排列情况，如图5所示。设刀具沿v参数方向走刀，曲面在参数域中的加工范围为u∈[umin,umax],v∈[vmin,vmax]，umin和umax分别代表曲面加工的左右边界，vmin和vmax分别代表曲面加工的前后边界；CCi为曲面上第i条刀触点轨迹，Wi为第i条刀轨Si的平均行宽。假设h为给定的编程公差，ξ为加工行宽系数。图6为本文刀具轨迹生成算法的基本流程，具体过程如下：（1）给定曲面的加工范围u∈[umin,umax],v∈[vmin,vmax]，以及编程公差h。（2）假设曲面加工的第i行刀轨Si的刀触点轨迹为CCi，其方程为u=ui，i=1,…,N，N为加工刀轨的总行数。（3）根据叶片进排气边的曲面几何性质进行分析，从而估计出机床主轴的回转角度B，以及前置处理局部坐标系中的偏航角φ。（4）由等参数离散逼近法将刀触点轨迹为CCi离散为M个刀触点Pi,j，j=1,…,M。对于其对应参数坐标为(ui,vj)，vj=vmin+(j-1)(vmax-vmin)/(M-1)本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀轨生成方法，其特征是，该方法包括以下步骤：A、建立刀位设计变量与刀位数据之间的关系方程，以及刀位数据与机床回转轴之间的运动变换方程，进而推导出刀位设计变量和机床回转轴之间的关系方程；B、根据上述关系方程，推导出已知方程中任意两个变量求解另外两个变量的公式，并根据工件曲面的特点和所使用多轴数控机床的具体结构特征，得到基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀位计算公式；C、基于上述刀位计算公式，计算得到环形刀多轴加工复杂曲面刀轨生成方法。

【技术特征摘要】
1.基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀轨生成方法，其特征是，该方法包括以下步骤：A、建立刀位设计变量与刀位数据之间的关系方程，以及刀位数据与机床回转轴之间的运动变换方程，进而推导出刀位设计变量和机床回转轴之间的关系方程；B、根据上述关系方程，推导出已知方程中任意两个变量求解另外两个变量的公式，并根据工件曲面的特点和所使用多轴数控机床的具体结构特征，得到基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀位计算公式；C、基于上述刀位计算公式，计算得到环形刀多轴加工复杂曲面刀轨；.步骤A中，建立刀位设计变量与刀位数据之间的关系方程：其中，(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)分别为局部坐标系OLX2Y2Z2的坐标轴X2、Y2和Z2在工件坐标系WCS中的单位矢量，θ为刀轴绕Y2轴旋转的偏航角，φ为刀轴绕Z2轴旋转的俯仰角；然后，根据所使用的摆头转台类五轴数控机床的具体结构特征，建立刀位数据与机床回转轴之间的运动变换方程：其中，(i,j,k)为刀轴方向矢量，A为摆头转台类五轴数控机床的旋转轴绕X轴的回转角度，B为摆头转台类五轴数控机床的旋转轴绕Y轴的回转角度；最后，推导出刀位设计变量和机床回转轴之间的关系方程：

【专利技术属性】
技术研发人员：徐汝锋，吴献珍，陈志同，胡超鹏，熊曦耀，徐义平，蒋理科，
申请(专利权)人：昌河飞机工业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：江西;36