[发明专利]基于机床轴速度限制的刀具路径切削方向优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及铣削加工技术领域，具体涉及一种基于机床轴速度限制的刀具路径切削方向优化方法。

背景技术

在数控加工领域，提高加工效率通常有两种重要手段：一是提高刀具路径的行宽分布，二是控制刀具路径的进给方向以使加工以最优进给速率进行。

加工行宽控制的目的是减少刀具路径的整体长度，以提高加工效率。受曲面表面精度如残高的限制，行宽需控制在一定范围之内。在满足精度要求的前提下尽可能增大加工行宽，可以有效减少整体刀具路径的长度。一些研究者利用待加工面的几何特性来控制生成具有最大行宽的刀具路径，从而提高加工效率。中国专利CN200810106647.7将刀具工作面离散成一组足够密集的经线，找到刀具到设计曲面上距离最短的一条空间曲线，以曲线在与刀具进给方向垂直平面的投影作为加工行宽。该方法在刀具路径设计时考虑选用刀具的形状与曲面的几何特性，能有效避免干涉，控制加工误差，在一定程度上提高加工效率。相应的，加工行宽与刀具、待加工曲面的形状及精度要求息息相关，加工效率的提高受到限制。

刀具路径进给方向的控制是为了机床在加工时具有优化切削性能，减少不必要的速度变化，以最优的进给速率进行加工来提高加工效率。对于刀具路径进给方向的控制，一方面要考虑待加工曲面的几何特性，另一方面要考虑在多轴加工过程中会涉及到刀轴矢量的变换与机床性能的限制。以往大多数对刀具路径进给方向优化的研究都是根据待加工曲面的几何特性来进行的。由于曲面上一点处沿不同方向可能具有不同的曲率，机床的加工速度需要随曲率的变化做调整，以提高曲面的加工质量。在对曲率变化较大的曲面、组合曲面、陡峭曲面进行加工时，通常也需要考虑刀具路径的进给方向，保持加工速度稳定，减少空刀。

基于待加工曲面的几何特性来对加工行宽和刀具路径进给方向进行优化控制可以极大的提升加工效率，但是若要进一步提升加工效率，需要考虑机床的运动学性能。充分利用机床的运动学性能，使机床在执行时，具有最高的进给速率，是另外一种提高加工效率的有效方式。目前很多学者对加工行宽与刀具路径进给方向的优化控制做了大量的研究，但在考虑机床的运动学性能提高加工效率方面研究较少。

中国专利CN201410529547.0以张量的方式度量曲面上任意切触点处的切削行宽，建立切触点处的二阶张量场，根据张量场计算加工行宽最大方向，作为刀具路径的优化进给方向。按此方法确定局部曲面加工边界，在各区域内具有沿优化进给方向加工的相同加工工艺，从而实现对整个曲面的优化加工。这种方法基于待加工曲面特性实现刀具路径进给方向的优化，是一种基于加工曲面几何特性分析的方法，没有考虑机床的运动学性能。

中国专利CN201110111956.5建立双NURBS曲线刀具轨迹中刀具速度分布场，通过各项约束求解刀具在运动过程中的最大速度与加速度，可以在满足机床伺服能力与加工性能要求下以最快的速度完成加工轨迹。该方法在一定程度上考虑了机床的运动学性能，提高加工效率，但仅涉及NURBS曲线轨迹的加工，对于在自由曲面上进行刀具路径的优化及衡量未有涉及,在自由曲面与机床之间的对应关系建立以及刀具路径优化加工方向的衡量计算方面有待进一步研究。

由于缺乏必要的数学工具，不能在刀具路径计算过程中考虑机床的运动学性能。在衡量刀具路径是否为优化路径时，往往需要先生成刀具路径，而刀具路径计算比较耗时，并且在实际应用中，无法计算出多轴机床在加工点处沿所有可能有效切削方向进给时的刀具路径。本发明中提及的数学方法，目的在于弥补这方面的不足，在不生成刀具路径的情况下，便可完成对刀具路径的评估，选择“进给速率最优方向”作为实际刀具路径进给方向，实现对加工效率的提升。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不能在刀具路径计算过程中考虑机床的运动学性能的问题，提供了一种基于机床轴速度限制的曲面加工切削方向优化计算方法，将机床的运动学性能纳入刀具路径的计算因素中，计算出优化的刀具路径进给方向，从而生成优化的加工路径，降低实际加工时间，提高加工效率。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

基于机床轴速度限制的曲面加工切削方向优化计算方法，该方法包括以下步骤：

1)将待加工曲面离散成等间距网格单元；

2)在抽象机床坐标系AMCS中建立一个机床运动学曲面Ω，机床运动学曲面Ω对应于机床运动空间中各驱动轴的运动控制指令，工件坐标系中待加工曲面上一点对应于机床运动空间中的一组运动控制指令；