[发明专利]一种五轴数控加工奇异区域刀位点优化方法

说明书

本发明公开了一种五轴数控加工奇异区域刀位点优化方法，通过在刀轴终到向量的邻域内对刀轴终到向量进行优化得刀轴优化后的向量，使刀轴起始向量与刀轴终到向量在以极轴为法向量的平面上投影的夹角θ最小，以减少机床第一旋转轴的运动量从而实现对奇异区域的刀具轨迹进行优化。采用本发明所述的优化方法，不仅能提高加工精度的可靠性，程序计算简单，而且极大的缩短了加工时间，提高加工效率。

技术领域

本发明涉及数控加工领域，具体的说是一种五轴数控加工奇异区域刀位点优化方法。

背景技术

五轴加工在三轴加工基础上增加了两个旋转轴，分别为主动旋转轴和从动旋转轴，一般称主动轴为第一旋转轴，从动轴为第二旋转轴。从而使加工方式更加灵活，材料去除率更高，加工时间更短，可以处理更为复杂的零件。因此，五轴加工在航空、航天、汽车、船舶等工业领域得到了广泛的应用。但旋转轴的运动也使刀具姿态控制更为复杂，从而引入许多五轴加工所特有的问题。奇异点问题就是其中重要的一个。

在五轴加工中，机床不可避免存在着奇异点(极点)以及奇异区域，当刀轴向量与第一旋转轴向量(即主动轴旋转中心线)重合时，该点成为奇异点或极点。该点的特征是无论第一旋转轴处于何种位置，不改变刀轴向量，反之，以第一旋转轴摆动任意角度得到在奇异点位置的刀轴向量。如AC摆角机床的(0,0,1)刀轴向量。

奇异点附近的区域称为奇异区域，奇异区域的特点是，当刀轴向量在变化很小的一个空间角度时，都会引起第一旋转轴非常大的变化。这大大增加了非线性误差，从而会在已加工表面产生明显波纹，会导致加工精度问题，甚至损伤机床部件。

因此，对奇异区域内的刀轴向量进行优化处理，对于提高加工精度和加工效率至关重要。

在处理五轴加工奇异区域问题上，一般有3种解决方案：

方案1：通过多项式插补修改刀具路径避开奇异位置，但插补算法复杂，计算量非常大或单纯使用线性插值在刀具路径轨迹上加密点位，但会造成奇异区域内刀具路径的运行速度大大降低，容易造成机床频繁地做加减速运动，运行速率大大降低，同时也易引起刀具颤振。

方案2：通过选择奇异点附近第一旋转轴运动的最短路径来减小误差，但在选择转角取值时，考虑的是相邻点转角变化量的相对值最小，但忽略了相邻点之间转角变化量的绝对值较大的的可能性，当可能性发生时误差较大。

方案3：在奇异点附近插入刀位点，同时修改第一旋转轴转角，避免加工通过奇异点时误差过大，但由于之前没有对奇异区域的范围进行检测，因此当刀具穿过奇异区域而不经过奇异点时，加工精度不够理想。

基于上述三种方案的缺陷，提出一种五轴数控加工领域中误差小，加工精度高的奇异区域优化方法成为重中之重。

发明内容

本发明的目的在于提供一种五轴数控加工奇异区域刀位点优化方法，通过在刀轴终到向量的邻域内对刀轴终到向量进行优化，提高了加工精度的可靠性，计算简单，并缩短加工时间，提高加工效率。

本发明通过下述技术方案实现：一种五轴数控加工奇异区域刀位点优化方法，通过在刀轴终到向量的邻域内对刀轴终到向量进行优化得刀轴优化后的向量，使刀轴起始向量与刀轴终到向量在以极轴为法向量的平面上投影的夹角θ最小，以减少机床第一旋转轴的运动量从而实现对奇异区域的刀具轨迹进行优化。

对奇异区域的刀具轨迹进行优化分为两种情况：

第一种：所述的极轴在刀轴终到向量的邻域内，所述刀轴优化后的向量为极轴向量。

第二种：所述的极轴在刀轴终到向量的邻域外，所述刀轴优化后的向量采用以下步骤计算确认：

(a)进行刀轴优化分析，确认刀轴起始向量、待优化向量、优化目标向量、极轴向量以及刀轴向量偏摆容差Δα；