[发明专利]一种基于刀具姿态控制的五轴数控加工指令点插补方法

说明书

本发明提供一种基于刀具姿态控制的五轴数控加工指令点插补方法，涉及数控加工领域。包括：获取刀尖点位置集合P和刀轴矢量集合Q；获取参数样条曲线P(u)；建立局部旋转坐标系Q₀‑N‑V；得到刀轴矢量曲线Q(u)；确定夹角ψ_k和夹角对应的参数值u_k；确定参数值u_k对应点处一、二阶导数；构造满足二阶连续的曲线ψ(u)和确定第k个插补周期插补点对应参数值；得到下一插补周期的插补点和对应刀轴矢量。本发明提供的一种基于刀具姿态控制的五轴数控加工指令点插补方法，避免了线性插补方法中旋转轴随动变化产生的非线性误差，提高了加工精度，并且避免机床旋转轴的大幅变化，提高加工表面光滑度。

技术领域

本发明涉及数控加工技术领域，具体涉及一种基于刀具姿态控制的五轴数控加工指令点插补方法。

背景技术

五轴数控机床能够通过刀尖点位置坐标和刀轴矢量的变化达到灵活控制刀具位姿的目的，从而提高加工速度、精度和表面光洁度，在航空、汽车、模具制造等行业得到广泛应用。指令点插补对加工精度和效率有着直接影响，是五轴数控加工中的关键问题。

线性插补是五轴数控系统常用的指令点插补方法，该方法通过对机床各轴首末点位置坐标进行线性分割，实现刀具位姿变化。在实际加工中发现，线性插补方式会导致下述问题产生。首先，五轴数控加工工件几何造型复杂，采用直线段对复杂曲线离散化，不仅会增加数据传输负担，而且在离散化过程中会产生不必要的误差。其次，由于刀轴矢量各分量与旋转轴位置坐标间存在非线性映射，采用线性插补法进行五轴数控加工时，无法控制刀具姿态。最后，线性插补方法无法保证机床各轴速度和加速度的连续性，影响加工表面光滑度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于刀具姿态控制的五轴数控加工指令点插补方法，将通过获取到的离散刀轴矢量和刀尖点拟合得到的连续曲线进行插补，以降低数据传输负担，保证刀具姿态曲线二阶连续变化，进而实现机床旋转轴速度和加速度连续变化。

为了实现上述目的，一种基于刀具姿态控制的五轴数控加工指令点插补方法，包括以下步骤：

步骤1：根据加工需求，使用五轴数控加工程序，根据给定的数控加工程序得到刀尖点位置集合P＝{P_k|P_k＝(P_xk，P_yk，P_zk)且P_xk，P_yk，P_zk∈R，k＝0，...，n}和刀轴矢量集合Q＝{Q_k|Q_k＝(Q_xk，Q_yk，Q_zk)，|Q_k|＝1，k＝0，...，n}；

步骤2：根据读入的数控加工程序，将离散刀尖点位置集合转化为参数样条曲线P(u)；

步骤3：根据读入的数控加工程序确定待插补曲线起始点P₀和终点P_n对应的刀轴矢量Q₀和Q_n，从而建立局部旋转坐标系Q₀-N-V；

步骤4：根据任意点P_k∈P，确定其对应刀轴矢量Q_k在局部旋转坐标系Q₀-N-V中的位置，并根据任意刀轴矢量Q_k得到刀轴矢量曲线Q(u)；

步骤5：通过三次-五次样条曲线拟合得到二阶连续的刀具姿态曲线ψ_k(u)和具体步骤如下：