一种适用于侧铣加工非可展直纹面的刀具定位方法技术

本发明专利技术涉及一种适用于侧铣加工非可展直纹面的刀具定位方法，其步骤：选取待加工零件的非可展直纹面，上下边界曲线为C1(u)和C2(u)；选取直纹面上任意一条直母线S1S2，对应的参数值为u0；在直母线S1S2附近选取未知参数u1和u2，上边界曲线在P1点的单位切向量为T1(u1)，下边界曲线在P2点的单位切向量为T2(u2)，在P1点的主法线的单位向量为N1(u1)，副法线的单位向量为B1(u1)，在P2点的主法线的单位向量为N2(u2)，副法线的单位向量为B2(u2)；确定关于刀具轴线上点M1、M2与点P1、P2关系方程；向方程加入两个约束条件后，求解四个未知量u1、u2、θ和进而计算M1和M2的值，则得到刀具的刀轴矢量为，结合刀尖点M2，确定刀具的位姿；沿边界曲线按从小到大顺序和合适的参数间隔遍历所有参数直到完成整个直纹面的刀具位姿。

Tool positioning method suitable for side milling machining non developable ruled surface

\u672c\u53d1\u660e\u6d89\u53ca\u4e00\u79cd\u9002\u7528\u4e8e\u4fa7\u94e3\u52a0\u5de5\u975e\u53ef\u5c55\u76f4\u7eb9\u9762\u7684\u5200\u5177\u5b9a\u4f4d\u65b9\u6cd5\uff0c\u5176\u6b65\u9aa4\uff1a\u9009\u53d6\u5f85\u52a0\u5de5\u96f6\u4ef6\u7684\u975e\u53ef\u5c55\u76f4\u7eb9\u9762\uff0c\u4e0a\u4e0b\u8fb9\u754c\u66f2\u7ebf\u4e3aC1(u)\u548cC2(u)\uff1b\u9009\u53d6\u76f4\u7eb9\u9762\u4e0a\u4efb\u610f\u4e00\u6761\u76f4\u6bcd\u7ebfS1S2\uff0c\u5bf9\u5e94\u7684\u53c2\u6570\u503c\u4e3au0\uff1b\u5728\u76f4\u6bcd\u7ebfS1S2\u9644\u8fd1\u9009\u53d6\u672a\u77e5\u53c2\u6570u1\u548cu2\uff0c\u4e0a\u8fb9\u754c\u66f2\u7ebf\u5728P1\u70b9\u7684\u5355\u4f4d\u5207\u5411\u91cf\u4e3aT1(u1)\uff0c\u4e0b\u8fb9\u754c\u66f2\u7ebf\u5728P2\u70b9\u7684\u5355\u4f4d\u5207\u5411\u91cf\u4e3aT2(u2)\uff0c\u5728P1\u70b9\u7684\u4e3b\u6cd5\u7ebf\u7684\u5355\u4f4d\u5411\u91cf\u4e3aN1(u1)\uff0c\u526f\u6cd5\u7ebf\u7684\u5355\u4f4d\u5411\u91cf\u4e3aB1(u1)\uff0c\u5728P2\u70b9\u7684\u4e3b\u6cd5\u7ebf\u7684\u5355\u4f4d\u5411\u91cf\u4e3aN2(u2)\uff0c\u526f\u6cd5\u7ebf\u7684\u5355\u4f4d\u5411\u91cf\u4e3aB2(u2)\uff1b\u786e\u5b9a\u5173\u4e8e\u5200\u5177\u8f74\u7ebf\u4e0a\u70b9M1\u3001M2\u4e0e\u70b9P1\u3001P2\u5173\u7cfb\u65b9\u7a0b\uff1b\u5411\u65b9\u7a0b\u52a0\u5165\u4e24\u4e2a\u7ea6\u675f\u6761\u4ef6\u540e\uff0c\u6c42\u89e3\u56db\u4e2a\u672a\u77e5\u91cfu1\u3001u2\u3001\u03b8\u548c\u8fdb\u800c\u8ba1\u7b97M1\u548cM2\u7684\u503c\uff0c\u5219\u5f97\u5230 The cutter axis vector is combined with the cutter tip M2 to determine the position and orientation of the tool, and all the parameters are traversed along the boundary curve according to the order from small to large and the appropriate parameter interval.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种刀具定位方法，特别是关于一种在数控机床加工领域中应用的适用于侧铣加工非可展直纹面的刀具定位方法。
技术介绍
目前，如图1所示，非可展直纹面不同于可展直纹面，在曲面同一直母线上的各点法向量的大小和方向不尽相同，存在扭曲角(如图2所示)，由于扭曲角的存在，使得刀具无法像圆锥侧面、圆柱侧面这类可展直纹面那样完全贴合表面，并与表面相切。无论怎样确定刀具位姿，总会存在原理误差，现有的一系列数学精确解析的计算刀具位姿的方法(例如单点偏置法，两点偏置法，三点相切法等)都存在一定问题：单点偏置法，两点偏置法等方法误差过大，而三点相切法对于初值较为敏感，并且计算耗时巨大，效率低下，因此都不利于在数控机床上又快又好的加工具有非可展直纹面特征的零件。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种适用于侧铣加工非可展直纹面的刀具定位方法，该方法能够降低90％以上的原理误差(与单点偏置法和两点偏置法相比)，并且相对于三点相切法的能够减少62％以上的计算时间。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种适用于侧铣加工非可展直纹面的刀具定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)选取待加工零件的非可展直纹面，该非可展直纹面的上下边界曲线为C1(u)和C2(u)；2)选取非可展直纹面上任意一条直母线S1S2，该直母线S1S2对应的参数值为u＝u0；3)在直母线S1S2附近选取未知参数u1和u2，u1对应上边界曲线C1(u)上的点P1，u2对应下边界曲线C2(u)上的点P2，上边界曲线C1(u)在P1点的单位切向量为T1(u1)，下边界曲线C2(u)在P2点的单位切向量为T2(u2)，在P1点的主法线的单位向量为N1(u1)，副法线的单位向量为B1(u1)，同理在P2点的主法线的单位向量为N2(u2)，副法线的单位向量为B2(u2)；4)M1M2为刀具轴线上两点，连接点M1与P1点、连接点M2与P2点，使它们满足向量(M1-P1)在N1(u1)和B1(u1)确定的平面内，与N1(u1)成θ角，并且其模等于刀具半径R；同理，向量(M2-P2)在N2(u2)和B2(u2)确定的平面内，与N2(u2)成角，其模等于刀具半径R；得到关于刀具轴线上点M1、M2与点P1、P2关系方程；其中，点M2为刀尖点，点M1为刀尖点和刀具安装点之间的一点；5)向步骤4)中的方程加入第一个约束条件：(M1-M2)·(M1-P1)＝(M1-M2)·(M2-P2)＝0；6)向步骤4)中的方程加入第二个约束条件：第二个约束条件为M0M1M2三点共线，M0是M1M2的中点；7)将加入两个约束条件后得到的方程构成含四个方程的方程组，求解四个未知量u1、u2、θ和8)根据步骤7)中的求解结果计算M1和M2的值，则得到刀具的刀轴矢量为(M1-M2)，结合刀尖点M2，确定刀具的位姿；生成此条直母线上的刀具位姿数控指令；9)根据步骤1)～8)沿边界曲线按参数从小到大顺序遍历所有直母线序列，直到计算完成整个直纹面的刀具位姿确定。进一步，所述步骤4)中，刀具轴线上点M1、M2与点P1、P2关系方程为：M1-P1＝Rcos(θ)N1(u1)+Rsin(θ)B1(u1)，进一步，所述步骤5)中，加入第一个约束条件后得到：a1cos(θ)+b1sin(θ)+R＝0，其中：a2＝(M1-M2)N2(u2)-RB1(u1)·N2(u2)sinθ+RN1(u1)·N2(u2)cosθ，b2＝(M1-M2)B2(u2)-RB1(u1)·B2(u2)sinθ+RN1(u1)·B2(u2)cosθ。进一步，所述步骤6)中，加入第二个约束条件后得到： M 0 x - M 1 x M 2 x - M 1 x = M 0 y - M 1 y M 2 y - M 1 y = M 0 z - M 1 z M 2 z - M 1 z ; ]]>式中，M0x、M0y、M0z分别表示M0的x，y，z坐标值；M1x、M1y、M1z分别表示M1的x，y，z坐标值；M2x、M2y、M2z分别表示M2的x，y，z坐标值。进一步，所述步骤9)中，直母线序列为按照总弧长均等分上下边界准线，在准线上得到弧长间隔相等的一系列点，这些点中每个点都对应一条直母线，从而由这些点对应的直母线构成直母线序列。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本专利技术通过非可展直纹面的上下边界曲线上的点与刀具轴线上的点建立方程组，并加入两个约束条件后求解出相应的未知量u1、u2、θ和进而确定刀具的位姿。因此，本专利技术实现了对刀具位姿的有效确定，能够有效地完成对非可展直纹面零件的侧铣加工，减少加工误差，提升加工效率。附图说明图1是现有技术中非可展直纹面示意图；图2是现有技术中扭曲角示意图；图3是本专利技术的刀具位姿示意图；图4a是对于同一种非可展直纹面零件采用单点偏置法计算误差分布图；图4b是对于同一种非可展直纹面零件采用两点偏置法计算误差分布图；图4c是对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于侧铣加工非可展直纹面的刀具定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)选取待加工零件的非可展直纹面，该非可展直纹面的上下边界曲线为C1(u)和C2(u)；2)选取非可展直纹面上任意一条直母线S1S2，该直母线S1S2对应的参数值为u＝u0；3)在直母线S1S2附近选取未知参数u1和u2，u1对应上边界曲线C1(u)上的点P1，u2对应下边界曲线C2(u)上的点P2，上边界曲线C1(u)在P1点的单位切向量为T1(u1)，下边界曲线C2(u)在P2点的单位切向量为T2(u2)，在P1点的主法线的单位向量为N1(u1)，副法线的单位向量为B1(u1)，同理在P2点的主法线的单位向量为N2(u2)，副法线的单位向量为B2(u2)；4)M1M2为刀具轴线上两点，连接点M1与P1点、连接点M2与P2点，使它们满足向量(M1‑P1)在N1(u1)和B1(u1)确定的平面内，与N1(u1)成θ角，并且其模等于刀具半径R；同理，向量(M2‑P2)在N2(u2)和B2(u2)确定的平面内，与N2(u2)成角，其模等于刀具半径R；得到关于刀具轴线上点M1、M2与点P1、P2关系方程；其中，点M2为刀尖点，点M1为刀尖点和刀具安装点之间的一点；5)向步骤4)中的方程加入第一个约束条件：(M1‑M2)·(M1‑P1)＝(M1‑M2)·(M2‑P2)＝0；6)向步骤4)中的方程加入第二个约束条件：第二个约束条件为M0M1M2三点共线，M0是M1M2的中点；7)将加入两个约束条件后得到的方程构成含四个方程的方程组，求解四个未知量u1、u2、θ和8)根据步骤7)中的求解结果计算M1和M2的值，则得到刀具的刀轴矢量为(M1‑M2)，结合刀尖点M2，确定刀具的位姿；生成此条直母线上的刀具位姿数控指令；9)根据步骤1)～8)沿边界曲线按参数从小到大顺序遍历所有直母线序列，直到计算完成整个直纹面的刀具位姿确定。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于侧铣加工非可展直纹面的刀具定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)选取待加工零件的非可展直纹面，该非可展直纹面的上下边界曲线为C1(u)和C2(u)；2)选取非可展直纹面上任意一条直母线S1S2，该直母线S1S2对应的参数值为u＝u0；3)在直母线S1S2附近选取未知参数u1和u2，u1对应上边界曲线C1(u)上的点P1，u2对应下边界曲线C2(u)上的点P2，上边界曲线C1(u)在P1点的单位切向量为T1(u1)，下边界曲线C2(u)在P2点的单位切向量为T2(u2)，在P1点的主法线的单位向量为N1(u1)，副法线的单位向量为B1(u1)，同理在P2点的主法线的单位向量为N2(u2)，副法线的单位向量为B2(u2)；4)M1M2为刀具轴线上两点，连接点M1与P1点、连接点M2与P2点，使它们满足向量(M1-P1)在N1(u1)和B1(u1)确定的平面内，与N1(u1)成θ角，并且其模等于刀具半径R；同理，向量(M2-P2)在N2(u2)和B2(u2)确定的平面内，与N2(u2)成角，其模等于刀具半径R；得到关于刀具轴线上点M1、M2与点P1、P2关系方程；其中，点M2为刀尖点，点M1为刀尖点和刀具安装点之间的一点；5)向步骤4)中的方程加入第一个约束条件：(M1-M2)·(M1-P1)＝(M1-M2)·(M2-P2)＝0；6)向步骤4)中的方程加入第二个约束条件：第二个约束条件为M0M1M2三点共线，M0是M1M2的中点；7)将加入两个约束条件后得到的方程构成含四个方程的方程组，求解四个未知量u1、u2、θ和8)根据步骤7)中的求解结果计算M1和M2的值，则得到刀具的刀轴矢量为(M1-M2)，结合刀尖点M2，确定刀具的位姿；生成此条直母线上的刀具位姿数控指令；9)根据步骤1)～8)沿边界曲线按参数从小到大顺序遍历所有直母线序列，直到计算完成整个直纹面的刀具位姿确定。2.如权利要求1所述的一种适用于侧铣加工非可展直纹面的刀具定位方法，其特征在于：所述步骤4)中，刀具轴线上点M1、M2与点P1、P2关系方程为：M1-P1＝Rcos(θ)N1(u1)+Rsin(θ)B1(u1)，3.如权利要求1所述的一种适用于侧铣加工非可展直纹面的刀具定位方法，其特征在于：所述步骤5)中，加入第一个约束条件后得到：a1cos(θ)+b1sin(θ)+R＝0，其中：a2＝(M1-M2)N2(u2)-RB1(u1)·N2(u2)sinθ+RN1(u1)·N2(u2)cosθ，b2＝(M1-M2)B2(u2)-RB1(u1)·B2(u2)sinθ+RN1(u1)·B2(u2)cosθ。4.如权利要求1所述的一种适用于侧铣加工非可展直纹面的刀具定位方法，其特征在于：所述步骤6)中，加入第二个约束条件后得到： M ...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫艽，关立文，王立平，陈晃，李铁民，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11