[发明专利]复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法

说明书

技术领域

本发明涉及五轴数控铣床的自由曲面加工技术领域，具体地，涉及一种满足机 床运动学性能和切削力约束的复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法。

背景技术

在机械制造领域，五轴数控铣床被广泛应用于诸如叶轮、螺旋桨、涡轮叶片等 复杂曲面类零件的加工。与球头刀相比，平底刀的加工效率有显著提升，通过调整 刀具姿态能够增加切削宽度，被广泛应用于复杂曲面的五轴宽行加工。五轴数控加 工中进给速度的大小及其变化对零件加工精度、表面质量和加工效率有着重要影 响。因此，针对复杂曲面类零件的五轴平底刀宽行加工进给率规划方法在工业应用 中十分重要。

目前常用的进给率优化算法通常是基于材料去除率或者最大切削力约束计算， 没有考虑机床的运动学性能约束。若给定的进给率过高，即超出机床各运动轴的速 度、加速度及跃度限制，会使得加工过程不稳定，降低零件表面质量和刀具寿命； 若给定的进给速度过低则大大降低加工效率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种复杂曲面五轴平底刀宽行加工进 给率离线规划方法，同时考虑机床运动学性能和刀具上最大切削力约束进行进给速度规 划。该方法适用于自由曲面粗、精加工。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明提供的复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法，建立了以时间 最优进给速度规划为基础的进给速度规划模型，即以机床各运动轴的速度、加速度、跃 度极限以及曲线弓高误差为约束，同时以刀具切削过程中的最大切削力保持在设定切削 力阈值附近为约束的进给速度规划模型，最后输出具体机床数控系统的NC代码。

本发明具体包括如下步骤：

步骤S1，读入设计曲面对应的刀位文件，针对第一行刀轨中的离散刀位，经机床 运动学反解，获得机床各运动轴离散位置。

优选地，所述设计曲面为已知的待加工曲面的CAD模型，设计曲面所对应的刀位 文件一般可由通用CAM软件(如UG)生成。

步骤S2，以机床各运动轴的速度、加速度、跃度极限和曲线弓高误差为约束，建 立时间最优的进给速度规划模型；求解该进给速度规划模型计算出刀轨上各刀位处满足 机床性能约束的最大进给速度。

优选地，步骤S2中，用3次B样条曲线插值机床各轴离散位置，以等参数间隔在 机床各轴的样条曲线参数区间上采样，获得机床各运动轴的速度、加速度、跃度和曲线 弓高误差。

步骤S3，在步骤S2得到的最大进给速度的基础上，以进给速度最大为目标，刀具 切削过程中的最大切削力保持在设定切削力阈值范围内为约束，建立进给率优化模型。

优选地，所述切削力阈值由刀齿强度、刀具整体刚度和刀具最大变形决定。

步骤S4，根据工件、刀具几何信息以及加工刀轨信息，估算切削过程中刀轨上每 个刀位处的最大切削力。

优选地，所述最大切削力的计算分两步完成：

步骤S41，以离散矢量求交法(discretevectormethod)确定刀轨上每个刀位处刀具参 与切削的区域以及相应的切入切出角；

步骤S42，根据刀具参与切削的区域的位置及相应的刀具每齿进给量和主轴转速， 根据切削数据库信息确定相应的切削力系数。

优选地，所述切削数据库信息建立方法如下：根据具体刀具和相应工件材料的转速、 每齿进给、切深、切宽多因素正交实验实测铣削力数据，然后使用最小二乘拟合得到切 削力系数。

步骤S5，通过二分法求解进给率优化模型：当刀轨上的一个刀位处最大切削力与 设定切削力阈值的误差百分比少于5％时，完成模型优化，获得该刀位处的更新后的进 给速度；否则用该刀位处的更新后的进给速度重新计算该刀位处的最大切削力，并继续 模型优化过程。

步骤S6，由获得的刀轨上各刀位处的进给速度以及刀轨各刀位处对应的机床各运 动轴的位置，针对具体的机床数控系统输出相应的数控(NC)代码。

步骤S7，使用离散矢量求交法计算当前刀轨加工后工件的几何形状信息。

优选地，还包括：

步骤S8，重复步骤S1至步骤S7规划下一行刀轨的进给速度。

本发明提出了一种复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法，与现有技 术相比，本发明具有如下有益效果：