[发明专利]一种基于协变场泛函的刀轴矢量优化方法

说明书

本发明属于铣削加工领域，并公开了一种基于协变场泛函的刀轴矢量优化方法。该方法包括下列步骤：(a)确定实际加工中待优化刀轴矢量应满足的加工需求，将加工需求转化为目标协变场泛函和约束协变场泛函；(b)对所述协变场泛函进行加权求和，由此得到所述待优化刀轴矢量的优化模型；(c)对所述模型进行离散并进行求解得到优化后的刀轴矢量。通过本发明，保证刀轴矢量和加工轨迹的光顺，避免刀具与工件的过切或碰撞，适用于不同参数化的工件曲面，且加工精度高，加工工件表面质量好。

技术领域

本发明属于铣削加工领域，更具体地，涉及一种基于协变场泛函的刀轴矢量优化方法。

背景技术

在五轴数控加工中，刀轴矢量剧烈变化会引起刀具与工件曲面的过切和碰撞，使得刀具轨迹中经常会有锯齿形状，以及实际加工中的振动，进而影响加工精度和加工表面质量。因此，刀轴矢量的变化率必须受到限制，同时要考虑避免刀具的碰撞和过切。

国内外工业界和学术界都针对五轴数控加工的刀轴矢量优化进行了大量的理论研究和应用研究。在工业界，目前已有UG/NX和CATIA等市场占有率最高的两种通用计算机辅助制造(CAM)软件，其中UG/NX对刀轴矢量控制的策略有17种之多，包括相对于矢量、垂直于工件曲面、相对于工件曲面等等，这种刀轴矢量控制的策略需要编程人员根据经验主观判断且需大量输入参数而获得，并不能保证是最优化的结果。此问题在中国尤其严重，原因是国内更缺乏有高级工艺经验的CAM工程师，其结果是一般国内复杂曲面零件加工的时间、精度、平顺度，都不如欧美先进国家。其根本原因是缺乏一个统一的数学框架来描述刀轴矢量优化方法。

目前，对于刀轴矢量的优化过程中，刀轴矢量的优化中避免了刀具的过切或碰撞进行了修正，但不能保证刀轴矢量的运动轨迹是光顺的；申请号CN201310451890.3、名称为“运动学约束的复杂曲面五轴数控加工刀矢光顺方法”的发明专利，首先确定加工轨迹曲线上刀轴矢量光顺调整区间、根据走刀步长确定离散点的基础上，建立机床旋转进给轴转角优化数学模型；然后，计算离散点对应的曲面法矢相对刀轴矢量的旋转角度，最后，对获得的离散加工轨迹法矢转角进行拟合，获得光顺的刀轴矢量函数，保证机床旋转轴运动平滑，但是该方法没有考虑加工过程中刀具与工件的过切或碰撞问题，而且刀轴矢量的计算不是系统和综合性的求解方法，无法满足广泛的加工需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于协变场泛函的刀轴矢量优化方法，通过确定待优化矢量的加工需求并建立的相应的协变场泛函，由此解决刀具与工件的过切或碰撞、刀轴矢量轨迹的光顺性等技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于协变场泛函的刀轴矢量优化方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)选取刀轴矢量作为待优化的对象，并根据实际加工状况确定与其相对应的具体加工需求，分别将该具体加工需求逐一转化为与之对应的目标协变场泛函或约束协变场泛函；

(b)所有所述具体加工需求对应的目标变场泛函或约束协变场泛函构成一个组合，该组合中所有所述目标变场泛函或约束协变场泛函加权求和得到待优化刀轴矢量的优化模型；

(c)将所述优化模型按照刀具轨迹曲线离散，从而得到离散的优化模型，并采用约束非线性优化的方法求解该离散的优化模型的最小值，从而得到所需的待优化刀轴矢量，由此完成刀轴矢量的优化。

进一步优选地，步骤(a)中，所述加工需求包括：

(a1)刀轴矢量稳定性：待优化刀轴矢量的波动最小；

(a2)刀轴矢量方向优选：待优化刀轴矢量方向与预设方向场误差最小；

(a3)刀轴矢量方向限定：预设位置处待优化刀轴矢量方向与该位置的预设向呈几何关系；

(a4)刀轴矢量方向禁区：待优化刀轴矢量避开加工禁区，在该禁区内刀具沿待优化刀轴矢量的方向加工与工件发生过切或碰撞。