五轴摇篮式数控机床未变形切屑的三维几何建模方法技术

本发明专利技术公开了一种五轴摇篮式数控机床未变形切屑的三维几何建模方法，用于解决现有方法建模精确度差的技术问题。技术方案是首先利用线性插值方法计算五轴机床在加工过程中任意瞬时各运动轴的运动量；接着用一组平行平面与刀具和工件相交的二维轮廓建模，并结合机床的运动链，将空间三维问题降维到二维平面问题；在工件坐标系中建立刀具在工件选定层上瞬时切屑刃的数学表达；求得零件每一层上任意时刻瞬时切削刃的包络边界曲线，及其内部包络区域；利用上一时刻的包络区域减去这一时刻的包络区域，求得这一时间段在选定层上的未变形切屑形状；将工件上所有层上产生的未变形切屑形状叠加起来，得到这一时间段的3维未变形切屑几何，建模精度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及五轴数控加工建模领域，特别涉及一种五轴摇篮式数控机床未变形切屑的三维几何建模方法。
技术介绍
文献“LeeSK,KoSL.DevelopmentofsimulationsystemformachiningprocessusingenhancedZmapmodel[J].Journalofmaterialsprocessingtechnology,2002,130:608-617.”公开了一种基于Z-map的超级抽样方法，该方法首先从数控程序中获取零件的几何信息；接着使用超级抽样的方法对获取的几何信息进行采样，并利用采样信息对毛坯进行网格化；最后用网格化的毛坯和刀具包络进行布尔运算。该方法能快速求出加工过程中的材料去除率，及评估加工过后零件的加工质量。但该方法并未对数控加工过程中的三维未变形切屑几何进行建模，且求解五轴刀具运动包络本身就非常困难。而三维未变形切屑几何，是求解零件在加工过程中任意瞬时几何形状的基础，它又是五轴数控加工中几何建模和物理仿真之间的桥梁，如求解材料去除率、加工过程中的零件几何形状和进给速度及刀具轨迹优化。通过对数控加工中任一瞬时未变形切屑几何的建模和研究，可以将数控加工的几何建模和物理仿真结合起来，更能切近实际数控加工的本质，使仿真的结果更加可信、可靠。
技术实现思路
为了克服现有方法建模精确度差的不足，本专利技术提供一种五轴摇篮式数控机床未变形切屑的三维几何建模方法。该方法首先利用线性插值方法计算五轴机床在加工过程中任意瞬时各运动轴的运动量；接着用一组平行平面与刀具和工件相交的二维轮廓建模，并结合机床的运动链，将空间三维问题降维到二维平面问题；在工件坐标系中建立刀具在工件选定层上瞬时切屑刃的数学表达；求得零件每一层上任意时刻瞬时切削刃的包络边界曲线，及其内部包络区域；利用上一时刻的包络区域减去这一时刻的包络区域，求得这一时间段在选定层上的未变形切屑形状；最后，将工件上所有层上产生的未变形切屑形状叠加起来，得到这一时间段的3维未变形切屑几何。该方法能精确、快速求出在五轴加工过程中任意时刻的三维未变形切屑几何。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案：一种五轴摇篮式数控机床未变形切屑的三维几何建模方法，其特点是包括以下步骤：步骤一、给定两个连续刀位点[XM,1YM,1ZM,1A1C1]和[XM,2YM,2ZM,2A2C2]，基于线性插值方法，求解任意时刻t五轴摇篮式数控机床各运动轴运动量[XM(t)YM(t)ZM(t)A(t)C(t)]，其计算公式为：XM(t)YM(t)ZM(t)A(t)C(t)=XM,1+t·(XM,2-XM,1)YM,1+t·(YM,2-YM,1)ZM,1+t·(ZM,2-ZM,1)A1+t·(A2-A1)C1+t·(C2-C1)=XM,1+t·ΔXYM,1+t·ΔYZM,1+t·ΔZA1+t·ΔAC1+t·ΔC]]>其中t为参数且t∈[0,1]；△X、△Y、△Z及△A、△C分别为机床三个平移轴及两个旋转轴在两个刀位点间运动量的差值。步骤二、建立五轴摇篮式数控机床的运动链。建立机床坐标系CSM、参考坐标系CSP、参考坐标系CSA、参考坐标系CSC、工件坐标系CSW及刀具坐标系CST，以便描述刀具坐标系CST和工件坐标系CSW之间的关系。则从工件坐标系CSW到刀具坐标系CST的变换矩阵为MW-T(t)：MW-Y(t)=cos(C)-sin(C)0δXP-Xm-cos(C)·(δXP-δXW)+sin(C)·(δyP+δyW)cos(A)·sin(C)cos(C)·cosA)-sin(A)δyP-yM+sin(A)·(δZP-δZW)-cos(C)·cos(A)·(δyP-δyW)-cos(A)·sin(C)·(δXP-δXW)sin(A)·sin(C)cos(C)·sin(A)cos(A)L+δZP-ZM-cos(A)·(δZP-δZW)-cos(C)·sin(A)·(δyP-δyW)-sin(A)·sin(C)·(δXP-δXW)0001]]>其中δxP、δyP、δzP为参考坐标系CSP的原点OP在机床坐标系CSM中的坐标值；δxW、δyW、δzW为工件坐标系CSW原点OW在机床坐标系CSM中的坐标值；C为机床旋转轴C在t时刻绕平移轴Z的旋转量；A为机床旋转轴A在t时刻绕平移轴X的旋转量；xM、yM、zM为机床三个平移轴在t时刻的运动量,[xmymzmAC]的值由步骤1给出，在t时刻[XM(t)YM(t)ZM(t)A(t)C(t)]＝[xmymzmAC]。等价的从刀具坐标系CST到工件坐标系CSW的变换矩阵为MT-W(t)：MT-W(t)=cos(C)cos(A)·sin(C)sin(A)·sin(C)δxP-δxW+cos(C)·(xM-δxP)+sin(C)·cos(A)·(yM-δyP)+sin(C)·sin(A)·(zM-δzP-L)-sin(C)cos(C)·sin(A)cos(C)·sin(A)δyP-δyW-sin(C)·(xM-δxP)+cos(C)·cos(A)·(yM-δyP)+cos(C)·sin(A)·(zM-δzP-L)0-sin(A)cos(A)δzP-δxW-sin(A)·(yM-δyP)+cos(A)·(zM-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种五轴摇篮式数控机床未变形切屑的三维几何建模方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、给定两个连续刀位点[XM,1 YM,1 ZM,1 A1 C1]和[XM,2 YM,2 ZM,2 A2 C2]，基于线性插值方法，求解任意时刻t五轴摇篮式数控机床各运动轴运动量[XM(t) YM(t) ZM(t) A(t) C(t)]，其计算公式为：XM(t)YM(t)ZM(t)A(t)C(t)=XM,1+t·(XM,2-XM,1)YM,1+t·(YM,2-YM,1)ZM,1+t·(ZM,2-ZM,1)A1+t·(A2-A1)C1+t·(C2-C1)=XM,1+t·ΔXYM,1+t·ΔYZM,1+t·ΔZA1+t·ΔAC1+t·ΔC]]>其中t为参数且t∈[0,1]；△X、△Y、△Z及△A、△C分别为机床三个平移轴及两个旋转轴在两个刀位点间运动量的差值；步骤二、建立五轴摇篮式数控机床的运动链；建立机床坐标系CSM、参考坐标系CSP、参考坐标系CSA、参考坐标系CSC、工件坐标系CSW及刀具坐标系CST，以便描述刀具坐标系CST和工件坐标系CSW之间的关系；则从工件坐标系CSW到刀具坐标系CST的变换矩阵为MW‑T(t)：MW-T(t)=cos(C)-sin(C)0δxP-xM-cos(C)·(δxP-δxW)+sin(C)·(δyP+δyW)cos(A)·sin(C)cos(C)·cos(A)-sin(A)δyP-yM+sin(A)·(δzP-δzW)-cos(C)·cos(A)·(δyP-δyW)-cos(A)·sin(C)·(δxP-δxW)sin(A)·sin(C)cos(C)·sin(A)cos(A)L+δzP-zM-cos(A)·(δzP-δzW)-cos(C)·sin(A)·(δyP-δyW)-sin(A)·sin(C)·(δxP-δxW)0001]]>其中δxP、δyP、δzP为参考坐标系CSP的原点OP在机床坐标系CSM中的坐标值；δxW、δyW、δzW为工件坐标系CSW原点OW在机床坐标系CSM中的坐标值；C为机床旋转轴C在t时刻绕平移轴Z的旋转量；A为机床旋转轴A在t时刻绕平移轴X的旋转量；xM、yM、zM为机床三个平移轴在t时刻的运动量,[xm ym zm A C]的值由步骤1给出，在t时刻[XM(t) YM(t) ZM(t) A(t) C(t)]＝[xm ym zm A C]；等价的从刀具坐标系CST到工件坐标系CSW的变换矩阵为MT‑W(t)：MT-W(t)=]]>cos(C)cos(A)·sin(C)sin(A)·sin(C)δxP-δxW+cos(C)·(xM-δxP)+sin(C)·cos(A)·(yM-δyP)+sin(C)·sin(A)·(zM-δzP-L)-sin(C)cos(C)·cos(A)cos(C)·sin(A)δyP-δyW-sin(C)·(xM-δxP)+cos(C)·cos(A)·(yM-δyP)+cos(C)·sin(A)·(zM-δzP-L)0-sin(A)cos(A)δzP-δxW-sin(A)·(yM-δyP)+cos(A)·(zM-δzP-L)0001]]>步骤三、建立刀具的瞬时切削刃模型；用一系列平行于机床工作台...

【技术特征摘要】
1.一种五轴摇篮式数控机床未变形切屑的三维几何建模方法，其特征在于包括以
下步骤：
步骤一、给定两个连续刀位点[XM,1YM,1ZM,1A1C1]和[XM,2YM,2ZM,2A2C2]，
基于线性插值方法，求解任意时刻t五轴摇篮式数控机床各运动轴运动量
[XM(t)YM(t)ZM(t)A(t)C(t)]，其计算公式为：
XM(t)YM(t)ZM(t)A(t)C(t)=XM,1+t·(XM,2-XM,1)YM,1+t·(YM,2-YM,1)ZM,1+t·(ZM,2-ZM,1)A1+t·(A2-A1)C1+t·(C2-C1)=XM,1+t·ΔXYM,1+t·ΔYZM,1+t·ΔZA1+t·ΔAC1+t·ΔC]]>其中t为参数且t∈[0,1]；△X、△Y、△Z及△A、△C分别为机床三个平移轴及
两个旋转轴在两个刀位点间运动量的差值；
步骤二、建立五轴摇篮式数控机床的运动链；
建立机床坐标系CSM、参考坐标系CSP、参考坐标系CSA、参考坐标系CSC、工件
坐标系CSW及刀具坐标系CST，以便描述刀具坐标系CST和工件坐标系CSW之间的关系；
则从工件坐标系CSW到刀具坐标系CST的变换矩阵为MW-T(t)：
MW-T(t)=cos(C)-sin(C)0δxP-xM-cos(C)·(δxP-δxW)+sin(C)·(δyP+δyW)cos(A)·sin(C)cos(C)·cos(A)-sin(A)δyP-yM+sin(A)·(δzP-δzW)-cos(C)·cos(A)·(δyP-δyW)-cos(A)·sin(C)·(δxP-δxW)sin(A)·sin(C)cos(C)·sin(A)cos(A)L+δzP-zM-cos(A)·(δzP-δzW)-cos(C)·sin(A)·(δyP-δyW)-sin(A)·sin(C)·(δxP-δxW)0001]]>其中δxP、δyP、δzP为参考坐标系CSP的原点OP在机床坐标系CSM中的坐标值；
δxW、δyW、δzW为工件坐标系CSW原点OW在机床坐标系CSM中的坐标值；C为机床旋转
轴C在t时刻绕平移轴Z的旋转量；A为机床旋转轴A在t时刻绕平移轴X的旋转量；
xM、yM、zM为机床三个平移轴在t时刻的运动量,[xmymzmAC]的值由步骤1给
出，在t时刻[XM(t)YM(t)ZM(t)A(t)C(t)]＝[xmymzmAC]；
等价的从刀具坐标系CST到工件坐标系CSW的变换矩阵为MT-W(t)：
MT-W(t)=]]>cos(C)cos(A)·sin(C)sin(A)·sin(C)δxP-δxW+cos(C)·(xM-δxP)+sin(C)·cos(A)·(yM-δyP)+sin(C)·sin(A)·(zM-δzP-L)-sin(C)cos(C)·cos(A)cos(C)·sin(A)δyP-δyW-sin(C)·(xM-δxP)+cos(C)·cos(A)·(yM-δyP)+cos(C)·sin(A)·(zM-δzP-L)0-sin(A)cos(A)δzP-δxW-sin(A)·(yM-δyP)+cos(A)·(zM-δzP-L)0001]]>步骤三、建立刀具的瞬时切削刃模型；
用一系列平行于机床工作台的平行平面与工件相交，将工件的形状用平面与工件
工件相交所得的2维轮廓来表示；
在刀具坐标系CST中端铣刀的参数方程为：
xT(θ,l)yT(θ,l)zT(θ,l)=R·cosθR·sinθl]]>其中R为刀具半径，θ、l为参数，且θ∈[0,2π]，l∈[0,L]，L为刀具长度；刀具
的参数方程在工件坐标系CSW中的表达为：
xWyWzW1=MT-W(t)·R·cosθR·sinθl1]]>对于工件坐标系CSW中工件上z坐标为zΩ的层，参数θ和参数l之间的关系为：
l=zΩ+δzP-δzWcos(A)+tan(A)·(yM-δyP+R·sinθ)+δzP-zM+L]]>其中θ、l参数，其它量的定义与前述定义相同，其中θ∈[0,2π]，l∈[0,L]；
则在工件坐标CSW中zΩ层上瞬时切削刃Ew(θ,t)的参数表达为：
EW(θ,t)=xE,W(θ,t)yE,W(θ,t)zE,W(θ,t)=R·cos(C)·cosθ+R·sin(C)·sinθcos(A)+sin(C)cos(A)·(yM-δyP)+tan(A)·sin(C)·(zΩ+δzW-δzP)+cos(C)·(xM-δxP)+δxP-δxW-R·sin(C)·cosθ+R·cos(C)·sinθcos(A)+cos(C)cos(A)·(yM-δyP)+tan(A)·co...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈泽忠，邓奇，常智勇，梅永钢，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61