[发明专利]基于机床旋转进给轴运动学特性的刀轴矢量光顺方法

说明书

本发明基于机床旋转进给轴运动学特性的刀轴矢量光顺方法属于复杂曲面零件高精高效铣削加工技术领域，涉及一种基于机床旋转进给轴运动学特性的刀轴矢量光顺方法。该方法根据曲面几何特征，以等残余高度为约束生成加工刀轨。建立工件坐标系与机床坐标系的坐标转换关系，将刀触点对应的刀轴矢量序列转换为机床旋转进给轴的转角序列，并根据机床旋转进给轴角度变化确定待优化区间。基于四元数方法，计算待优化区间内刀触点对应的刀轴矢量坐标，并通过最小二乘拟合方法对优化后的机床旋转进给轴转角曲线光顺，对优化后的刀轴矢量进行干涉检查及调整。该方法有效减少加工过程中机床旋转进给轴的运动突变，实现平稳加工，提高了表面加工质量。

技术领域

本发明属于复杂曲面零件高精高效铣削加工技术领域，涉及一种基于机床旋转进给轴运动学特性的刀轴矢量光顺方法。

背景技术

复杂曲面零件被广泛应用于航空航天、汽车、船舶等各个领域，如何实现复杂曲面零件高质高效加工是当前研究的热点和难点。五轴数控加工较三轴数控加工增加了两个旋转轴，可以通过调整刀具相对局部坐标系的夹角来控制刀具和加工表面的接触状态，保证零件加工质量和效率，同时避免刀具和工件之间的局部和全局干涉。目前五轴加工中刀轴矢量方向根据复杂曲面局部几何信息来确定，但随着现在工业发展的需要，曲面造型更加复杂，局部几何信息存在急变特征。根据曲面局部几何信息确定的刀轴矢量易导致较大的刀轴矢量变化，严重制约曲面加工质量的提高，因此获得光顺的刀轴矢量是提高曲面加工质量的关键环节。目前国内外学者在刀轴矢量优化方面开展了大量的研究工作，其主要思路有两种：一种是用UG等加工软件生成刀位，然后进行调整；另一种是计算出刀触点处的可行刀轴空间，然后在特定约束条件下进行优化，并检查干涉。

王晶等人的文献“复杂曲面零件五轴加工刀轴整体优化方法”，航空学报，2013，34(06)：1452-1462，首先计算了所有切触点处可行刀轴空间，并在获得临界刀轴矢量的基础上，对其进行平面映射，建立了刀轴摆动的初始可行域；其次，通过对初始可行域进行均匀离散，从而构造了新的刀轴摆动可行域；最后，建立当前切削行内无干涉且相邻刀轴变化最小的刀轴矢量优化模型，实现自由曲面五轴加工无干涉刀轴矢量的光滑控制。然而该方法计算量大，且在优化过程中未考虑机床旋转进给轴运动学特性，具有较大的局限性。周波等人的文献“复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法研究”，机械工程学报，2013，49(7)，184-192，通过在非干涉区域内插入刀触点，在干涉区域内采用改进的C-space法生成光顺的刀轴矢量，该方法可以处理全局干涉和局部干涉的情况，但是插入切触点降低了实际进给速率，影响加工效率，不适用于高精高效加工。

发明内容

本发明针对现有技术缺陷，发明了一种基于机床旋转进给轴运动学特性的复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量光顺方法。所提出的方法能有效减少加工过程中机床旋转进给轴的运动突变，实现加工过程的平稳，提高表面加工质量，为复杂曲面高精高效加工提供理论与技术支撑。

本发明的技术方案是一种基于机床旋转进给轴运动学特性的刀轴矢量光顺方法，其特征在于根据曲面几何特征，以等残余高度为约束生成加工刀轨；建立工件坐标系与机床坐标系之间的转换关系，将刀触点对应的刀轴矢量转换为机床旋转进给轴的转角，并根据机床旋转进给轴转角与刀轨累加弧长的关系确定待优化区间；以区间边界刀轴矢量为约束，采用基于四元数的刀轴匀化方法优化刀轴矢量，并以最小二乘拟合原则调整优化后旋转进给轴转角与刀轨累加弧长曲线中曲率最大处的刀轴矢量；最后进行干涉检查。方法的具体步骤如下：

第一步：基于等残留高度法生成刀轨刀触点位置

取复杂曲面为S(u,v)，在CAM软件中，以球头刀为加工刀具，采用等残留高度方法生成刀轨r(ξ)，得到刀位文件{P,V}，其中P为刀尖点坐标，V为单位刀轴矢量，根据刀位文件中的刀尖点坐标，可得刀触点坐标P_C为：

P_C＝P+R·V-R·N (1)