[发明专利]一种基于ACIS的复杂曲面加工切削力预测方法及设备

说明书

本发明属于计算机数控加工领域，公开了一种基于ACIS的复杂曲面加工切削力预测方法及设备。该方法包括如下步骤：采用ACIS几何造型构造工件和刀具包络面的实体模型；在实体模型上使用布尔求交算法，得到工件和刀具包络体之间的啮合区域及啮合边界；将全局坐标系下的啮合边界转换为刀具坐标系下的啮合边界；将刀具与工件的啮合边界以刀具坐标系下的z轴方向进行离散，并求得离散得到的每一微元处的径向浸入角范围；根据径向浸入角先计算出每一个微元的切削力大小，然后将在啮合边界中的微元进行求和，以获取整个刀具对工件的切削力。本发明能够准确获得啮合边界，实现复杂曲面切削力的预测。

技术领域

本发明属于计算机数控加工领域，更具体地，涉及一种基于ACIS的复杂曲面加工切削力预测方法及设备。

背景技术

在过去的一个世纪里，公司和研究机构为提高机械加工的性能做出了巨大的努力。通过优化刀具几何形状、切削材料、冷却剂和涂层，提高了刀具寿命和加工性能。但是对于切削力的预测，尤其是针对多轴机床下复杂曲面加工的切削力预测，一直没有较成熟的解决办法。

切削力直接影响被加工零件的形状误差和表面质量。一旦切削力能够被模拟仿真，由刀具和工件的挠度导致的形状误差和振动，以及影响表面质量的问题，都可以被有效预测。切削力取决于刀具和工件的材料、刀具的几何形状和切削条件。在之前的大量研究中，对于光滑简单平面的切削力计算，可以利用解析方法进行计算，已经形成了非常成熟的理论成果，并且推出了商业化的切削力预测软件。但是对于复杂曲面，由于复杂曲面的不规则性，很难获得刀具与工件的准确啮合边界，所以在复杂曲面切削力计算中，解析方法一直无法很好地适用。

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ACIS的复杂曲面加工切削力预测方法及设备，其目的在于，借助于ACIS引擎的建模优势，通过三维模型仿真对刀具和工件在任一接触状态下的啮合情况进行建模，从而得到切削边界、啮合区域、啮合边界并进行离散化的微分处理，进行瞬时切削力的计算，从而实现复杂曲面切削力的预测。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于ACIS的复杂曲面加工切削力预测方法，包括如下步骤：

(1)采用ACIS几何造型构造工件和刀具包络面的实体模型；

(2)在建立的工件和刀具包络面的实体模型上，使用布尔求交算法，得到工件和刀具包络体之间的啮合区域，提取啮合区域的边界从而得到在全局坐标系下的刀具与工件的啮合边界；

(3)将全局坐标系下的啮合边界转换为刀具坐标系下的啮合边界，所述刀具坐标系以刀位点为原点、刀轴矢量为z轴，以刀具前倾角的旋转轴和刀具侧倾角的旋转轴分别为x轴和y轴；

(4)将刀具与工件的啮合边界，以刀具坐标系下的z轴方向进行离散，并求得离散得到的每一微元处的径向浸入角范围；

(5)根据径向浸入角先计算出每一个微元的切削力大小，然后将在啮合边界中的微元进行求和，以获取整个刀具对工件的切削力。

进一步地，取世界坐标系XYZ作为全局坐标系，步骤(1)中在世界坐标系XYZ下进行建模；

步骤(3)中设定过程坐标系FCN和刀具坐标系xyz，其中：

过程坐标系FCN以刀位点为原点，并且F轴、C轴、N轴分别与世界坐标系的X轴、Y轴、Z轴平行；

刀具坐标系xyz由过程坐标系FCN先按照刀具前倾角大小绕C轴旋转相同角度，再按照刀具侧倾角大小绕F轴旋转相同角度得到。

进一步地，坐标系转化表达式为：

其中，T为变换矩阵，l为刀具前倾角，t为刀具侧倾角。