一种基于超精密机床的球形复杂曲面铣削轨迹规划方法技术

一种基于超精密机床的球形复杂曲面铣削轨迹规划方法，涉及一种铣削轨迹规划方法。根据球形大小推导球面轨迹方程；设定切削点间距参数；根据面形设计需求设定特征点，计算特征点对应的球面切削点坐标；推导出特征点的面形方程；弧底凹坑及边缘圆倒角替换对应位置的球面点，重新生成轨迹；球头铣刀半径补偿，将轨迹转换为球头铣刀的中心点轨迹；确定切削参数后根据机床布局生成各个轴系坐标；输出为NC代码进行加工。相比于常规商业软件，针对球面规律排布凹坑并进行倒角的面形设计，生成轨迹的适应能力更强。应能力更强。应能力更强。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超精密机床的球形复杂曲面铣削轨迹规划方法


[0001]本专利技术涉及一种铣削轨迹规划方法，尤其是一种基于超精密机床的球形复杂曲面铣削轨迹规划方法，属于超精密铣削加工


技术介绍

[0002]超精密加工技术已经被广泛应用于现代生物医学、航空航天、国防工业及电子通讯技术行业中。随着使用需求的增大，被加工表面面形也随之更为复杂，同时对于被加工零件面形精度以及粗糙度的需求也逐步增长。复杂曲面一般是由多曲率的曲面组合而成，达到某些数学特征的高精度、追求功能与美学效果的外观形态，包括非球面、自由曲面和异型面等。
[0003]随着UG、PRO/E、PowerMILL等商业软件的普及，采用商业软件规划复杂曲面刀具轨迹被广泛应用。上述商业软件的主要优点是其可以根据毛坯及加工目标灵活的自动生成刀具轨迹。但由于精密及超精密加工时需要较小步长、步距、进给量的刀具轨迹，当这些软件生成较小步长、步距、进给量的刀具轨迹时，会出现运算时间过长甚至无法运算现象。
[0004]为了满足加工球形曲面更为复杂特征的需求，使得超精密加工不再局限于简单的平面、柱面、单一特征曲面等，本专利技术针对球面具有一定规律排布的凹坑并进行倒角的面形设计，提出了一种基于超精密机床的球形复杂曲面铣削轨迹规划方法，为具有类似特征的面形加工提供借鉴。

技术实现思路

[0005]为解决
技术介绍
存在的不足，本专利技术提供一种基于超精密机床的球形复杂曲面铣削轨迹规划方法，相比于常规商业软件，针对球面规律排布凹坑并进行倒角的面形设计，生成轨迹的适应能力更强。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取下述技术方案：一种基于超精密机床的球形复杂曲面铣削轨迹规划方法，超精密机床采用C
‑
Y
‑
Z
‑
X
‑
B布局，X轴、Y轴和Z轴三个直线轴能够在三维坐标系内调节球头铣刀与工件之间的相对位置，B轴和C轴两个回转轴能够调节球头铣刀与工件之间的相对角度，并具备刀尖跟随功能和计算用编程软件，所述铣削轨迹规划方法包括以下步骤：
[0007]步骤一、根据球形大小推导球面轨迹方程，采用阿基米德螺旋线的方式对轨迹进行生成；
[0008]步骤二、根据加工精度需求设定切削点间距参数；
[0009]步骤三、根据面形设计需求设定特征点的参数，特征点具有弧底凹坑及边缘圆倒角，根据参数沿工件坐标系原点方向计算特征点对应的球面切削点坐标；
[0010]步骤四、根据设定的面形设计推导出特征点的面形方程；
[0011]步骤五、用计算所得的弧底凹坑及边缘圆倒角替换对应位置的球面点，重新生成轨迹；
[0012]步骤六、根据球头铣刀半径及被加工面形法向量，分别计算球面与弧底凹坑及边缘圆倒角的刀具半径补偿表达式，根据表达式进行半径补偿，将重新生成的轨迹转换为球头铣刀的中心点轨迹；
[0013]步骤七、确定切削参数后根据超精密机床的布局生成各个轴系坐标；
[0014]步骤八、将生成的各个轴系坐标的值转换输出为NC代码进行加工。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术首先对球形球面点进行生成计算，然后分别推导出弧底凹坑及边缘圆倒角的公式，并沿着法向量方向进行计算，经计算出的特征点代替球面点，还根据特征特点以及球头铣刀半径进行了半径补偿，轨迹规划采用编程软件计算的方式，有效弥补常规商业软件难以满足此类面形超精密加工的缺陷，能够有效提高加工精度，为球面具有一定规律排布的凹坑并进行倒角的面形加工提供借鉴。
附图说明
[0016]图1是本专利技术的流程图；
[0017]图2是实施例中的目标面形图；
[0018]图3是实施例中球形加工时生成的切削轨迹；
[0019]图4是实施例中弧底凹坑及边缘圆倒角替换球面点示意图；
[0020]图5是实施例中弧底凹坑及边缘圆倒角阵列示意图；
[0021]图6是实施例中球头铣刀半径补偿方法示意图；
[0022]图7是实施例中球头铣刀半径补偿前切削点轨迹；
[0023]图8是实施例中球头铣刀半径补偿后刀心轨迹；
[0024]图9是实施例中加工结果实物图。
具体实施方式
[0025]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]一种基于超精密机床的球形复杂曲面铣削轨迹规划方法，超精密机床采用C
‑
Y
‑
Z
‑
X
‑
B布局的五轴联动机床且具备刀尖跟随功能，计算采用的编程软件包括但不局限于Python、MATLAB等，编程语言采用但不局限于C++等，其包括X轴、Y轴和Z轴三个直线轴以及B轴和C轴两个回转轴，其中X轴和Z轴垂直排布于水平面内，Y轴竖向排布与Z轴滑动连接，C轴夹持固定工件并与Y轴滑动连接，B轴安装球头铣刀并与X轴滑动连接，三个直线轴能够在三维坐标系内调节球头铣刀与工件之间的相对位置，两个回转轴的轴线垂直排布并能够调节球头铣刀与工件之间的相对角度，如图1所示，所述铣削轨迹规划方法包括以下步骤：
[0027]步骤一、根据球形大小推导球面轨迹方程，利用球形的回转性质采用阿基米德螺旋线的方式对轨迹进行生成，螺旋线上球面点之间的间距采用等角度法定义，等角度法的螺旋线公式如下：
[0028][0029]其中，ω表示X
‑
Y平面方向的总弧度，ρ表示Z方向的总弧度，i表示球面点序号，t
i
介于0至1之间，间距由t
i
‑1和t
i
之间的间距Δt决定，R表示球形半径；
[0030]步骤二、根据加工精度需求设定切削点间距参数，包括纬线方向切削间距及经线方向切削行距；
[0031]步骤三、根据面形设计需求设定特征点的参数，特征点具有弧底凹坑及边缘圆倒角，参数包括半径、深度及位置，根据参数得到弧底凹坑及边缘圆倒角中心坐标(O
x
,O
y
,O
z
)，位置的设定采用球坐标法表示，沿工件坐标系原点方向求解得到特征点对应的球面切削点坐标(x,y,z)，各项参数关系式：
[0032]((1+k)x
‑
O
x
)2+((1+k)y
‑
O
y
)2+((1+k)z
‑
O
z
)2＝R2[0033]其中，k为比例系数；
[0034]步骤四、根据设定的面形设计推导出特征点的面形方程；
[0035]步骤五、用计算所得的弧底凹坑及边缘圆倒角替换对应位置的球面点，重新生成轨迹，替换公式为：
[0036][0037]利用比例系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超精密机床的球形复杂曲面铣削轨迹规划方法，超精密机床采用C
‑
Y
‑
Z
‑
X
‑
B布局，X轴、Y轴和Z轴三个直线轴能够在三维坐标系内调节球头铣刀与工件之间的相对位置，B轴和C轴两个回转轴能够调节球头铣刀与工件之间的相对角度，并具备刀尖跟随功能和计算用编程软件，其特征在于：所述铣削轨迹规划方法包括以下步骤：步骤一、根据球形大小推导球面轨迹方程，采用阿基米德螺旋线的方式对轨迹进行生成；步骤二、根据加工精度需求设定切削点间距参数；步骤三、根据面形设计需求设定特征点的参数，特征点具有弧底凹坑及边缘圆倒角，根据参数沿工件坐标系原点方向计算特征点对应的球面切削点坐标；步骤四、根据设定的面形设计推导出特征点的面形方程；步骤五、用计算所得的弧底凹坑及边缘圆倒角替换对应位置的球面点，重新生成轨迹；步骤六、根据球头铣刀半径及被加工面形法向量，分别计算球面与弧底凹坑及边缘圆倒角的刀具半径补偿表达式，根据表达式进行半径补偿，将重新生成的轨迹转换为球头铣刀的中心点轨迹；步骤七、确定切削参数后根据超精密机床的布局生成各个轴系坐标；步骤八、将生成的各个轴系坐标的值转换输出为NC代码进行加工。2.根据权利要求1所述的一种基于超精密机床的球形复杂曲面铣削轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤一中螺旋线上球面点之间的间距采用等角度法定义，等角度法的螺旋线公式如下：其中，ω表示X
‑
Y平面方向的总弧度，ρ表示Z方向的总弧度，i表示球面点序号，t
i

【专利技术属性】
技术研发人员：孙涛，邢天际，赵学森，张强，胡振江，宋禄启，赖训来，李国，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：