【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于数控加工，具体涉及一种多轴机床仿真过程中的刀具定位方法及系统。
技术介绍
1、多轴数控加工过程中的刀具定位问题一直是该领域的技术难点，主要因为刀具运动学描述的复杂性，传统的欧拉角方法在描述刀具姿态时存在奇异性问题，刀具位置和姿态的耦合关系难以准确表达，多轴联动过程中的运动学变换计算复杂等原因；在工件曲面建模时，常规的离散点方法难以精确描述复杂曲面，传统干涉检测算法计算量大，复杂曲面加工中容易出现漏检现象，干涉点信息难以准确记录和追溯。
技术实现思路
1、针对上述问题，本专利技术提出了基于四元数的刀具运动学模型和非均匀有理b样条曲线的工件曲面描述方法，结合自适应网格划分算法，实现了高效准确的刀具定位和干涉检测，具体技术方案如下：
2、第一方面，本专利技术提供一种多轴机床仿真过程中的刀具定位方法，所述方法包括以下步骤：
3、步骤s1，采用四元数的虚拟刀具运动学模型，基于实部分量加虚部分量的表示方法描述刀具姿态，并建立包含旋转和平移信息的刀具位置变换矩阵。
4、所述刀具姿态表示为：，其中，表示四元数的实部分量，，为刀具绕旋转轴的旋转角度；，，表示四元数的虚部分量，分别表示刀具绕机床、、轴旋转的分量，、、分别表示机床、、三个正交基方向虚数单位；
5、实部分量和虚部分量满足以下约束方程：
6、 ，
7、其中，、、分别为旋转轴在、、方向的单位分量；
8、步骤s2，采用非均匀有理b样条曲线描述工件曲
9、所述采用非均匀有理b样条曲线描述工件曲面特征包括：
10、建立控制点网格，其中，、分别为、方向的控制点数量，表示工件的走刀方向参数，定义域[0,1]，表示工件的进给方向参数，定义域[0,1]；
11、设定每个控制点对应的权重因子，计算阶和阶的样条基函数，计算工件表面点处的曲率因子；
12、步骤s3，计算刀具表面点集与工件表面点集间的最小距离，判断刀具与工件表面之间是否发生干涉并记录干涉点位置信息。
13、进一步的，所述刀具位置变换矩阵的计算公式为：
14、 ，
15、其中、、为刀具参考点在工件坐标系中的坐标值，矩阵的左上3×3子矩阵表示刀具的旋转变换，最右侧列向量的转置表示平移变换。
16、进一步的，所述采用非均匀有理b样条曲线描述工件曲面特征的数学表达式为：
17、；其中，分别为方向的样条基函数的阶数；，为方向控制点索引，；为方向控制点索引，；
18、控制点网格尺寸为；
19、和分别表示方向的基函数矩阵和中的元素，其中：
20、；
21、；
22、控制点在仿真加工过程中的实时位置，权重矩阵，则变换后的工件曲面特征的数学表达式为：；其中，是控制点矩阵。
23、进一步的，所述方向的基函数采用递归定义，其中：
24、;
25、;
26、为节点向量中的第个节点值。
27、进一步的，所述根据自适应网格划分算法计算工件表面曲率因子，根据曲率因子动态调整网格密度，工件表面点处的曲率因子，则点处的网格密度为：
28、 ，
29、其中：为基准网格密度，，为要求的最小加工精度；为密度调节系数，取值范围为[0,1]，曲率因子计算公式为：
30、 ，
31、其中为最大主曲率，为最小主曲率。
32、进一步的，所述干涉检测的最小距离计算采用：
33、 ，
34、其中，表示经过位置变换矩阵变换后的刀具表面点集，为刀具表面上的采样点，其坐标通过位置变换矩阵计算得到，，其中为刀具原始坐标系下的点；表示由非均匀有理b样条曲线描述的工件表面点集，为工件表面上的采样点；表示空间两点间的欧式距离；
35、当满足以下条件时，判定发生干涉，为干涉判定阈值，取值不大于最小加工精度。
36、进一步的，记录的干涉点的位置信息为发生干涉时对应的刀具位置四元数和对应的工件表面坐标参数。
37、第二方面，本专利技术提供一种多轴机床仿真过程中的刀具定位系统，用于执行第一方面所述的一种多轴机床仿真过程中的刀具定位方法，所述系统包括依次连接的：运动学建模模块，曲面建模模块和干涉检测模块。
38、进一步的，所述运动学建模模块，用于采用四元数的虚拟刀具运动学模型，基于实部分量加虚部分量的表示方法描述刀具姿态，并建立包含旋转和平移信息的刀具位置变换矩阵。
39、进一步的，所述曲面建模模块，用于采用非均匀有理b样条曲线描述工件曲面特征，根据自适应网格划分算法计算工件表面曲率因子，根据曲率因子动态调整网格密度。
40、进一步的，所述干涉检测模块，用于计算刀具表面点集与工件表面点集间的最小距离，判断刀具与工件表面之间是否发生干涉并记录干涉点位置信息。
41、进一步的，所述系统还包括：数据管理模块、可视化模块和参数配置模块。
42、所述数据管理模块用于管理系统运行过程中的数据，包括：控制点数据库，用于存储工件曲面的控制点网格和权重因子；刀具参数库，用于存储刀具几何参数和运动参数；以及干涉记录库，用于存储检测到的干涉点信息。
43、所述可视化模块，用于实时显示刀具运动轨迹、工件曲面网格和干涉检测结果。
44、所述参数配置模块，用于设置仿真系统的最小加工精度、网格密度调节系数、以及干涉判定阈值。
45、本专利技术与现有技术相比，其有益效果是：
46、本专利技术通过采用四元数表示刀具姿态，避免了传统欧拉角表示方法中的奇异性问题，并通过实部分量和虚部分量的约束方程确保数值稳定性，提高了刀具运动学建模的精确性和计算效率；采用非均匀有理b样条曲线描述工件曲面，结合基于曲率因子的自适应网格划分算法，实现了网格密度的动态调整，在保证精度的同时提高了计算效率；通过干涉判定阈值的灵活设置和干涉点位置信息的精确记录，提高了检测的可靠性；本专利技术实现了多轴机床加工仿真过程中刀具定位的高精度、高效率和高可靠性，可有效降低实际加工成本，减少试切次数，提高加工工序的可靠性。
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1.一种多轴机床仿真过程中的刀具定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种多轴机床仿真过程中的刀具定位方法，其特征在于，所述刀具位置变换矩阵的计算公式为：
3.根据权利要求2所述的一种多轴机床仿真过程中的刀具定位方法，其特征在于，所述采用非均匀有理B样条曲线描述工件曲面特征的数学表达式为：
4.根据权利要求3所述的一种多轴机床仿真过程中的刀具定位方法，其特征在于，所述方向的基函数采用递归定义，其中：
5.根据权利要求4所述的一种多轴机床仿真过程中的刀具定位方法，其特征在于，所述根据自适应网格划分算法计算工件表面曲率因子，根据曲率因子动态调整网格密度，工件表面点处的曲率因子，则点处的网格密度为：
6.根据权利要求5所述的一种多轴机床仿真过程中的刀具定位方法，其特征在于，所述干涉检测的最小距离计算采用：
7.根据权利要求5所述的一种多轴机床仿真过程中的刀具定位方法，其特征在于，记录的干涉点的位置信息为发生干涉时对应的刀具位置四元数和对应的工件表面坐标参数。
8.一种多轴
9.根据权利要求8所述的一种多轴机床仿真过程中的刀具定位系统，其特征在于，所述系统还包括：数据管理模块、可视化模块和参数配置模块；
...【技术特征摘要】
1.一种多轴机床仿真过程中的刀具定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种多轴机床仿真过程中的刀具定位方法，其特征在于，所述刀具位置变换矩阵的计算公式为：
3.根据权利要求2所述的一种多轴机床仿真过程中的刀具定位方法，其特征在于，所述采用非均匀有理b样条曲线描述工件曲面特征的数学表达式为：
4.根据权利要求3所述的一种多轴机床仿真过程中的刀具定位方法，其特征在于，所述方向的基函数采用递归定义，其中：
5.根据权利要求4所述的一种多轴机床仿真过程中的刀具定位方法，其特征在于，所述根据自适应网格划分算法计算工件表面曲率因子，根据曲率因子动态调整网格密度，工件表面点处的曲率因子，...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘跃鹏，恽成，
申请(专利权)人：上海巅思智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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