[发明专利]一种基于运动旋量的五轴加工刀具包络面计算方法

说明书

本发明公开了一种基于运动旋量的五轴加工刀具包络面计算方法，属于铣削加工制造领域，包括：将刀具的空间运动分解为刀具以固定倾角沿刀路曲线所作的进给运动和刀具的倾角变化引起的姿态变动，利用Frenet标架对进给运动和姿态变动建模；基于进给运动和姿态变动的建模结果，对刀具的运动旋量进行建模，得到刀刃微元Q在刀具坐标系(TCS)下的运动旋量[V_T]；根据运动旋量[V_T]计算刀刃微元Q在t_i～t_i+1时间段内做旋量运动的包络面，将其离散化为包络面点簇，并转换为工件坐标系(WCS)中刀具在t_i～t_i+1时间段内的包络面点簇；将WCS中刀具在各时间段内的包络面点簇集合起来，得到刀具的完整包络面。本发明在复杂曲面加工工况中也能精确生成刀具运动包络面。

技术领域

本发明属于铣削加工制造领域，更具体地，涉及一种基于运动旋量的五轴加工刀具包络面计算方法。

背景技术

刀具运动包络面的精确求解是切削仿真理论的关键基础技术之一，可以将其应用于碰撞干涉检测、行距步距优化、刀具路径规划和工件表面更新等方面的工作。

为了对五轴加工刀具运动包络面进行求解，常用的方法主要是数值法和解析法。数值法主要包括扫掠微分方程法、隐式建模方法、包络理论法、雅可比降秩法等，这些方法需要求解复杂的微分方程，计算量很大。解析法可以快速求解刀具运动包络面，求解精度较高，但理论推导公式复杂，有学者采用双参数球族包络理论，可以快速解析得到侧铣加工刀具的运动包络面，但同样存在理论推导公式复杂的问题。

此外，在相关研究中刀具运动包络面的求解只针对特定的工况，对于刀路弯扭或刀具姿态变化程度较大工况下刀具运动包络面的求解还有待深入研究。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于运动旋量的五轴加工刀具运动包络面计算方法，其目的在于，将运动旋量应用于描述五轴加工刀具的运动，并考虑刀路弯扭和刀具姿态变化，以解决现有的刀具运动包络面求解方法无法在刀路弯扭或刀具姿态变化程度较大的工况下精确计算刀具包络面的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于运动旋量的五轴加工刀具包络面计算方法，包括：

将刀具的空间运动分解为刀具以固定倾角沿刀路曲线所作的进给运动和刀具的倾角变化引起的姿态变动，利用Frenet标架对进给运动和姿态变动建模，得到进给坐标系中刀刃微元Q在t_i时刻由于进给运动产生的第一瞬时速度和由于姿态变动产生的第二瞬时速度，将第一瞬时速度和第二瞬时速度之和作为进给坐标系中刀刃微元Q在运动旋量[V_F]作用下的第三瞬时速度v_F；

计算进给坐标系中刀刃微元Q在运动旋量[V_F]作用下的角速度ω_F，从而得到刀具在进给坐标系中的运动旋量[V_F]为[V_F]＝(v_F,ω_F)；将运动旋量[V_F]变换至刀具坐标系下，得到刀刃微元Q在刀具坐标系下的运动旋量[V_T]；

在t∈[t_i,t_i+1]的情况下，计算刀具坐标系中刀刃微元Q在运动旋量[V_T]的作用下经历时间t后所移动到的位置点坐标，以计算刀具在t_i～t_i+1时间段内做旋量运动的包络面，将其离散化，得到刀具坐标系中刀具在t_i～t_i+1时间段内的包络面点簇并将包络面点簇转换至工件坐标系中，得到工件坐标系统中刀具在t_i～t_i+1时间段内的包络面点簇Π_i^(WCS)；将工件坐标系中刀具在各时间段内的包络面点簇集合起来，得到刀具在整条道路曲线上的完整包络面。