[发明专利]一种基于摆动误差的刀具姿角可行域求解方法

说明书

本发明一种基于摆动误差的刀具姿角可行域求解方法属于多轴数控机床高精加工领域，涉及一种基于摆动误差的刀具姿角可行域求解方法。该方法在求解单点无干涉可行域的基础上，通过分析刀具与工件切触几何关系，根据旋转轴变化建立相邻刀位点间实际切削轨迹方程。计算实际切削轨迹偏离插补轨迹的偏差即刀轴摆动误差，建立旋转轴角度变化与刀轴摆动误差的关联关系，求解相邻刀位点旋转轴角度变化范围。利用当前刀轨参数确定的后一刀位点，将其单点无干涉可行刀具姿角范围与刀轴摆动误差约束下可行刀具姿角范围进行求交，获得高精加工刀具姿角无干涉可行域。该方法能有效提高加工曲面轮廓精度，适于应用到多轴数控高精加工中。

技术领域

本发明属于多轴数控机床高精加工领域，涉及一种基于摆动误差的刀具姿角可行域求解方法。

背景技术

复杂几何特征的曲面零件多采用多轴数控加工的方法，然而，由于旋转自由度的增加，刀具和曲面的碰撞干涉和过切干涉等干涉问题更加复杂，且对于高精加工来说，在实际多轴数控加工时产生的非线性误差不可忽略，基于常规方法求解无干涉可行域规划的加工刀矢无法满足零件加工精度要求。当刀轨参数确定时非线性误差主要由刀具姿角变化引起的摆动误差决定，在高精加工过程中微米级的摆动误差不可忽略，因此，考虑多轴数控机床实际加工时产生摆动误差，进行刀具姿角可行域求解，根据该可行域进行刀矢规划在实际加工中对保证加工精度具有重要意义。目前，针对零件几何特征的可行域求解方法已有较多研究，但面向高精加工要求的刀具姿角可行域求解方法鲜有报道。

现有技术文献1“Global obstacle avoidance and minimum workpiece setupsin five-axis machining”，Hu等，Computer-Aided Design，2013，45(10):1222-1237，该文献对五轴加工中的避障问题进行了严格的分析，并提出了刀具姿角域的避障数值计算方法。然而该方法求解可行域未考虑相邻刀位点间刀轴矢量变化引起的摆动误差，虽然避免了由零件几何特征及夹具等引起的干涉问题，但无法保证加工质量。文献2“Singlespherical angle linear interpolation for the control of non-linearity errorsin five-axis flank milling”Zhang等，International Journal of AdvancedManufacturing Technology，2016，87，3289-3299，该文献通过分析五轴CNC加工的旋转轴运动中的刀具路径插补误差，在垂直于刀具路径方向的平面中，通过考虑刀具方向的偏差来构造误差模型，提出了一种插值算法减小非线性误差的方法，虽然考虑摆动误差的影响，但未考虑零件几何特征复杂时，难以规划保证加工无干涉的合适刀矢，难以直接应用于多轴数控高精加工中。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，发明一种基于摆动误差的刀具姿角可行域求解方法，该方法针对旋转轴角度变化时刀轴摆动产生的微误差致使零件加工精度难以达到极端制造需求的问题，通过建立刀具姿角变化与刀轴摆动误差的关联关系，结合刀具姿角单点无干涉可行域，开发出刀轴摆动误差抑制的相邻刀位点旋转轴角度变化范围求解方法，获得高精加工刀具姿角无干涉可行域，该方法可更有效的应用于多轴数控高精加工中。

本发明的技术方案是一种基于摆动误差的刀具姿角无干涉可行域求解方法，其特性在于，该方法在求解单点无干涉可行域的基础上，通过分析刀具与工件切触几何关系，根据旋转轴变化建立相邻刀位点间实际切削轨迹方程；计算实际切削轨迹偏离插补轨迹的偏差即刀轴摆动误差，建立旋转轴角度变化与刀轴摆动误差的关联关系，求解相邻刀位点旋转轴角度变化范围；利用当前刀轨参数确定的后一刀位点，将其单点无干涉可行刀具姿角范围与刀轴摆动误差约束下，可行刀具姿角范围进行求交，确定高精加工无干涉刀具姿角可行域；方法的具体过程如下：

第一步建立单点无干涉可行域