[发明专利]一种基于多目标约束的刀轴矢量优化方法及系统

说明书

本发明属于铣削加工领域，并具体公开了一种基于多目标约束的刀轴矢量优化方法及系统，包括：S1根据刀轴优化需求建立多目标约束的刀轴矢量优化模型；S2对刀轴矢量优化模型进行离散得到离散后的刀轴矢量优化模型；S3将离散后的刀轴矢量优化模型转换为以局部坐标系下的变量为优化变量的刀轴矢量优化模型；S4计算刀轴矢量优化模型中无过切的刀轴可行域，并求解得到优化后的刀轴矢量。本发明可保证刀轴矢量和加工轨迹更稳定，避免刀具在加工过程中产生过切或碰撞，适用于不同参数化的工件曲面，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，涉及一种基于多目标约束的刀轴矢量优化方法及系统。

背景技术

在多轴数控加工中，刀轴矢量的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。

目前，对于刀轴矢量的优化过程中，很多算法对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。例如，专利CN201310451890.3公开的一种运动学约束的复杂曲面五轴数控加工刀矢稳定方法，其保证了机床旋转轴的运动平滑，但是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；专利CN201710748234.8公开的一种基于协变场泛函的刀轴矢量优化方法，提供了一种统一框架的刀轴矢量优化方法，保证刀轴矢量稳定，同时避免刀具在加工过程发生过切或碰撞，但是该方法得到离散数学模型的离散方法，不能保证很好的刀轴矢量稳定性，在五轴防过切问题上也没有指出合理的前倾角范围给定方法。

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多目标约束的刀轴矢量优化方法及系统，其通过刀轴优化需求建立多目标约束的刀轴矢量优化模型，并对模型进行离散获得离散模型，提高了优化后刀轴的稳定性，同时通过优化刀轴可行域，在防过切的基础上保证了很好的刀轴稳定性和切削效率，具有计算简单、高效等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于多目标约束的刀轴矢量优化方法，其包括如下步骤：

S1根据刀轴优化需求建立多目标约束的刀轴矢量优化模型；

S2对所述刀轴矢量优化模型进行离散得到离散后的刀轴矢量优化模型；

S3将离散后的刀轴矢量优化模型转换为以局部坐标系下的变量为优化变量的刀轴矢量优化模型；

S4计算刀轴矢量优化模型中无过切的刀轴可行域，求解优化模型得到优化后的刀轴矢量，以此完成刀轴矢量的优化。

作为进一步优选的，所述刀轴优化需求包括：刀轴稳定性：使相邻刀轴的夹角与相邻刀轴刀触点的弦长的比值最小；刀轴优选方向：优化后刀轴矢量方向与预设刀轴方向误差最小；刀轴方向禁区：优化后刀轴矢量与工件不发生过切或碰撞；刀轴模长归一化：刀轴矢量模长为单位1。

作为进一步优选的，根据刀轴优化需求建立多目标约束的刀轴矢量优化模型具体为：以刀轴稳定性和刀轴优选方向为目标，并以刀轴方向禁区和刀轴模长归一化为约束条件建立多目标约束的刀轴矢量优化模型，该多目标约束的刀轴矢量优化模型如下：

其中，E(A(t))为优化模型的目标泛函，当E(A(t))的值最小时对应的刀轴矢量场即为最优的刀轴矢量场，E_s(A(t))是刀轴稳定性条件泛函表达式，E_P(A(t))是刀轴优选方向泛函表达式，t是加工轨迹曲线参数，其中t∈[0，1]，A(t)是刀轴矢量函数，g(t)是刀具加工轨迹曲线上的度规函数，p是权重系数，M(t)是预设的刀轴方向场，P(A(t))是刀轴方向禁区泛函。