[发明专利]一种五轴加工工件摆放姿态优化方法

说明书

本发明属于机床加工姿态优化领域，并具体公开了一种五轴加工工件摆放姿态优化方法，包括如下步骤：提取刀具的轴线方向，并映射至单位球上，以在单位球上形成多个离散点；对单位球球面上的离散点进行三角面片化处理，以获得离散点的边界曲线B；对边界曲线B进行偏置处理，获得奇异锥曲线C_s和工作空间边界曲线C_w；构建目标函数，根据目标函数获取工件的最佳摆放姿态。本发明可有效解决五轴加工时的奇异问题，并在解决奇异问题的同时，缩短加工时间，提高加工效率，具有操作便利，适用性强等优点。

技术领域

本发明属于机床加工姿态优化领域，更具体地，涉及一种五轴加工工件摆放姿态优化方法。

背景技术

五轴机床是在三轴机床的基础上，多了两个旋转轴，可使得刀具以任意姿态加工工件，一次装夹完成多道加工工序，从而提高加工效率和工件的表面质量，减小定位误差。然而与三轴机床相比，五轴机床却会带来非线性误差、奇异现象等缺点。如果加工工件时出现奇异现象，不仅会降低机床的进给速率，影响工件的表面加工质量，更严重的甚至划伤表面。如图1所示，工件为用一个平行于圆柱体轴线的平面截圆柱体得到的一部分，路径规划的加工路线和实际加工得到的路线分别如图1中所示，从图1中可以看出，实际加工路线与理论加工路线存在差别，其就是奇异现象划伤工件表面的情况。因此，实际加工中解决奇异问题，对五轴数控加工有十分重要的意义。

针对奇异问题，目前国内外有一些解决方法：AFFOUARD.A等(AFFOUARD.A,DUC.E,LARTIGUE.C,et al.Avoiding 5-axis singularities using tool path deformation[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2004,44(4):415-425)通过对AC型五轴机床的运动学反解公式进行分析，从理论上说明了五轴加工时出现奇异问题的根本原因，其提出通过多项式插补修改走刀路径来避开奇异锥形区域，但存在插补算法复杂，计算量大的问题；MUNLIN.M等(MUNLIN.M,MAKHONOV S.S.,BOHEZE E.L.J.,Optimization of rotations of a five-axis milling machine near stationarypoints[J].Computer Aided Design,2004,36(12):1117-1128)通过选择奇异点附近旋转轴运动的最短路径来减小误差，但该方法在选择转角取值时，考虑的是相邻点转角变化量的相对值最小，而相邻点之间转角变化量的绝对值可能较大，出现这样的情况时误差仍较大，故此方法只适合在粗加工和高速加工中；王丹等(王丹,陈志同,陈五一.五轴加工中非线性误差的检测和处理方法[J].北京航空航天大学学报,2008,(09):1003-1006+1091)通过对机床旋转轴(以C轴为例)的变化量进行监测，当相邻2个刀位点C轴转角大于给定的值，即可认为非线性误差过大，在找出存在过大非线性误差的刀位点后，使用局部加密方法对这些点进行线性插值的方法进行修正，虽然能在一定程度上减少误差，但单纯采用线性插值降低了奇异区域的加工速度，且插值过密导致机床频繁加减速，容易引起刀具颤振；中科院的王峰等(王峰,林浒,郑飂默,杨富枝.五轴加工奇异区域的检测和处理[J].计算机集成制造系统,2011,(07):1435-1440)将相邻点机床各轴的运动变化量和雅克比矩阵结合起来检测奇异域，并且提出一种奇异域内加工路径优化方法来减少非线性误差，同时对仍不满足精度的区间进行递归插值处理，这种方法虽然能够有效降低误差，但改变刀轴矢量会引入欠切和过切现象，降低加工质量，且雅克比矩阵的条件数计算比较难，总体效率低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种五轴加工工件摆放姿态优化方法，其通过调整工件摆放姿态，以解决五轴加工时的奇异问题，并且在解决奇异问题的同时，可尽量缩短加工时间，提高加工效率，且也使得加工具有较好的动力学性能，具有加工效率高、操作便利，适用性强等优点。