[发明专利]对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法

说明书

技术领域

本发明涉及多轴联动数控机械加工领域，更具体地，涉及一种对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法。

背景技术

随着航空航天，造船，汽车，能源、冶金等工业的发展，多轴联动数控加工技术正广泛地运用于高精密复杂曲面薄壁零件的加工中。在多轴联动数控加工处理过程中，可以根据零件几何形状和工艺参数合理规划出加工刀路，并生成相应刀位轨迹文件。该文件需要经过后置处理转换成为数控加工程序，才能驱动机床加工。五轴机床与三轴机床相比，增加了两个旋转轴，由此可调整任意刀轴方向以避免三轴机床加工中一些不可避免的干涉问题，但与此同时也带来了后置处理方面的问题。例如，旋转轴的转动会产生非线性误差，使得规划刀路的小线段经过后置处理走成了空间曲线，偏离了规划轨迹。

目前，对规划刀路的后置处理方式都是通过插点的方式来控制非线性误差的上限。上限值越大，偏离规划轨迹越远，加工质量越差；上限值越小，插值离散的小线段越多，机床运动轴频繁加减速，加工效率越低。当五轴机床处于奇异位置时，所规划刀路中刀轴的微量摆动，将造成机床旋转轴出现不必要的大幅旋转，此时伴随非线性误差最大化，可能产生加工路径紊乱。Knut Sorby在2006年machine tools&manufature杂志上发表论文提出了一种五轴后置处理奇异位置处理的插值方法，其通过插值使得大幅快速旋转变成了分段小幅缓慢旋转，使得奇异位置处加工变得安全，但是并没有实质上解决奇异位置大幅旋转行为，并且使得加工效率变得低下。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法，以消除局部非线性误差并避免机床奇异位置处依赖旋转轴的大幅旋转问题。

按照本发明，提出了一种对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法，该方法包括下列步骤：

(1)根据加工零件的几何形状和工艺参数，生成机床所采用球头刀具的刀位轨迹源文件；

(2)对生成的刀位轨迹源文件依次进行逐行读取、解析并提取其刀位点位置和刀轴矢量，以及判断刀位行有无干涉锥角以确定各刀位行的锥角值的一系列操作处理，由此获得包括了刀位点位置、刀轴矢量和锥角值信息在内的锥角刀路文件，所述确定锥角值的操作具体包括以下子步骤：

(i)将刀位轨迹源文件中的第一行刀位的锥角值θ¹赋值为0，同时将刀位行n赋值为2；

(ii)计算第n行刀轴矢量[i j k]ⁿ与第n-1行刀轴矢量[i j k]^n-1之间的矢量夹角αⁿ；

(iii)计算第n行刀位锥角值的上限

(iv)构建锥角值为的刀锥体模型与加工模型做干涉检查，若无干涉则设定当前锥角值为若存在干涉，则当前锥角依比例缩小，直到满足无干涉以确定当前行锥角值θⁿ；

(v)将n赋值增加1，重复上述(ii)～(iv)步骤直到确定各刀位行的锥角；

(3)对通过步骤(2)所获得的锥角刀路文件依次进行逐行读取，解析并提取其刀位位置、刀轴矢量和锥角，以及确定所有刀位行最优刀轴矢量的一系列操作处理，所述确定刀位行最优刀轴矢量的操作具体包括以下子步骤：

(a)将第一行刀位的刀轴矢量[i j k]¹设定为最优刀轴矢量并计算出其对应的机床旋转轴的值，同时将刀位行n赋值为2；

(b)计算第n行刀位的刀轴矢量[i j k]ⁿ与第n-1行已确定的刀轴矢量[i j k]^n-1之间的矢量夹角αⁿ；

(c)若矢量夹角αⁿ≤第n行的锥角值θⁿ，则将第n行刀位的最优刀轴矢量确定为[i j k]^n-1，并计算出其对应的机床旋转轴的值；

(d)若矢量夹角αⁿ＞第n行的锥角值θⁿ，则离散锥角θⁿ中的刀轴矢量，并将离散后的刀轴矢量所对应的机床旋转轴的值逐一与第(n-1)行刀轴矢量所对应的机床旋转轴的值进行对比，从中选择致使旋转轴加权旋转量最小的刀轴矢量作为第n行的最优刀轴矢量；以及

(e)将n赋值增加1，重复执行上述步骤(b)～(d)直到确定所有刀位行的最优刀轴矢量；以及