复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法技术

本发明专利技术提供了一种复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法。首先根据机床运动学模型计算刀轨上各离散刀位对应的机床各轴的位置；建立以机床各轴的速度、加速度、跃度极限和曲线弓高误差为约束的时间最优进给速度模型，得到刀轨上各刀位处满足机床性能的最大进给速度；使用离散矢量求交法确定刀具参与切削区域以及切入切出角，并以此为基础估算刀具的总切削力；以进给速度最大为目标，刀具切削过程中的最大切削力保持在给定切削力阈值附近为约束，同时满足进给速度小于最大进给速度，建立进给速度优化模型，并以二分法求解模型获取刀位的进给速度；根据具体的数控系统输出NC代码。本发明专利技术适用于自由曲面粗、精加工。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及五轴数控铣床的自由曲面加工
，具体地，涉及一种满足机床运动学性能和切削力约束的复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法。
技术介绍
在机械制造领域，五轴数控铣床被广泛应用于诸如叶轮、螺旋桨、涡轮叶片等复杂曲面类零件的加工。与球头刀相比，平底刀的加工效率有显著提升，通过调整刀具姿态能够增加切削宽度，被广泛应用于复杂曲面的五轴宽行加工。五轴数控加工中进给速度的大小及其变化对零件加工精度、表面质量和加工效率有着重要影响。因此，针对复杂曲面类零件的五轴平底刀宽行加工进给率规划方法在工业应用中十分重要。目前常用的进给率优化算法通常是基于材料去除率或者最大切削力约束计算，没有考虑机床的运动学性能约束。若给定的进给率过高，即超出机床各运动轴的速度、加速度及跃度限制，会使得加工过程不稳定，降低零件表面质量和刀具寿命；若给定的进给速度过低则大大降低加工效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法，同时考虑机床运动学性能和刀具上最大切削力约束进行进给速度规划。该方法适用于自由曲面粗、精加工。为实现上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的。本专利技术提供的复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法，建立了以时间最优进给速度规划为基础的进给速度规划模型，即以机床各运动轴的速度、加速度、跃度极限以及曲线弓高误差为约束，同时以刀具切削过程中的最大切削力保持在设定切削力阈值附近为约束的进给速度规划模型，最后输出具体机床数控系统的NC代码。本专利技术具体包括如下步骤：步骤S1，读入设计曲面对应的刀位文件，针对第一行刀轨中的离散刀位，经机床运动学反解，获得机床各运动轴离散位置。优选地，所述设计曲面为已知的待加工曲面的CAD模型，设计曲面所对应的刀位文件一般可由通用CAM软件(如UG)生成。步骤S2，以机床各运动轴的速度、加速度、跃度极限和曲线弓高误差为约束，建立时间最优的进给速度规划模型；求解该进给速度规划模型计算出刀轨上各刀位处满足机床性能约束的最大进给速度。优选地，步骤S2中，用3次B样条曲线插值机床各轴离散位置，以等参数间隔在机床各轴的样条曲线参数区间上采样，获得机床各运动轴的速度、加速度、跃度和曲线弓高误差。步骤S3，在步骤S2得到的最大进给速度的基础上，以进给速度最大为目标，刀具切削过程中的最大切削力保持在设定切削力阈值范围内为约束，建立进给率优化模型。优选地，所述切削力阈值由刀齿强度、刀具整体刚度和刀具最大变形决定。步骤S4，根据工件、刀具几何信息以及加工刀轨信息，估算切削过程中刀轨上每个刀位处的最大切削力。优选地，所述最大切削力的计算分两步完成：步骤S41，以离散矢量求交法(discretevectormethod)确定刀轨上每个刀位处刀具参与切削的区域以及相应的切入切出角；步骤S42，根据刀具参与切削的区域的位置及相应的刀具每齿进给量和主轴转速，根据切削数据库信息确定相应的切削力系数。优选地，所述切削数据库信息建立方法如下：根据具体刀具和相应工件材料的转速、每齿进给、切深、切宽多因素正交实验实测铣削力数据，然后使用最小二乘拟合得到切削力系数。步骤S5，通过二分法求解进给率优化模型：当刀轨上的一个刀位处最大切削力与设定切削力阈值的误差百分比少于5％时，完成模型优化，获得该刀位处的更新后的进给速度；否则用该刀位处的更新后的进给速度重新计算该刀位处的最大切削力，并继续模型优化过程。步骤S6，由获得的刀轨上各刀位处的进给速度以及刀轨各刀位处对应的机床各运动轴的位置，针对具体的机床数控系统输出相应的数控(NC)代码。步骤S7，使用离散矢量求交法计算当前刀轨加工后工件的几何形状信息。优选地，还包括：步骤S8，重复步骤S1至步骤S7规划下一行刀轨的进给速度。本专利技术提出了一种复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法，与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术能够满足以下3种约束：1)机床各轴的速度、加速度、跃度极限约束；2)曲线弓高误差约束；3)刀具切削过程中的最大切削力保持在设定切削力阈值附近约束，并以二分法求解获取加工刀轨上每个刀位的进给速度；2、本专利技术适用于五轴数控铣床的自由曲面粗、精加工。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术方法的流程示意图。图2为平底圆柱铣刀端铣自由曲面示意图。图2中，1为待加工的毛坯曲面，2为毛坯。图3为平底圆柱铣刀沿轴线方向将刀具上刀齿部分离散为N个等高度圆盘单元。图3中，XTOTZT为刀具坐标系。图4为平底圆柱铣刀上第k个离散圆盘与工件的局部啮合示意图。图4中，XTOTYT为刀具坐标系，ω为刀具转动方向，f为工件相对刀具的进给方向，dFt，j，k为第k个圆盘上第j个刀齿的单元切向切削力，dFr，j，k为第k个圆盘上第j个刀齿的单元径向切削力，φj，k(z)为瞬时接触角。图5为离散矢量求交法计算刀具参与切削区域示意图。图5中，3为设计曲面在离散点处的法向量方向，4为刀具参与切削区域。具体实施方式下面对本专利技术的实施例作详细说明：本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。实施例本实施例提供了一种复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法，包括如下步骤：步骤S1，读入设计曲面所对应的第一行刀轨中的离散刀位，经机床运动学反解后获得机床各运动轴(以下简称各轴)离散位置；步骤S2，使用3次B样条曲线插值机床各轴离散位置，以等参数间隔在曲线参数区间上采样，建立满足机床各轴速度、加速度、跃度极限约束以及曲线弓高误差约束的时间最优进给速度规划模型；使用现有的线性规划方法求解该模型，得到刀轨上各刀位处满足机床性能的最大进给速度；步骤S3，以进给速度最大为目标，刀具切削过程中的最大切削力保持在设定切削力阈值附近为约束，同时各刀位的进给速度不能超过该刀位处的最大进给速度，建立进给率优化模型；步骤S4，根据工件、刀具几何信息和刀轨信息，使用离散矢量求交法确定刀具参与切削区域以及相应的切入切出角，并计算切削过程中的切削力；...

【技术保护点】
一种复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，读入设计曲面对应的刀位文件，针对第一行刀轨中的离散刀位，经机床运动学反解，获得机床各运动轴离散位置；步骤S2，以机床各运动轴的速度、加速度、跃度极限和曲线弓高误差为约束，建立时间最优的进给速度规划模型；求解该进给速度规划模型得到刀轨上各刀位处满足机床性能约束的最大进给速度；步骤S3，在步骤S2得到的最大进给速度的基础上，以进给速度最大为目标，刀具切削过程中的最大切削力保持在设定切削力阈值范围内为约束，建立进给率优化模型；步骤S4，根据工件、刀具几何信息以及加工刀轨信息，估算切削过程中刀轨上每个刀位处的最大切削力；步骤S5，通过二分法求解进给率优化模型：当刀轨上某个刀位处最大切削力与设定切削力阈值的误差百分比少于5％时，完成模型优化，获得该刀位处更新后的进给速度；否则用该刀位处更新后的进给速度重新计算该刀位处的最大切削力，并继续模型优化过程；步骤S6，由步骤S5中获得的刀轨上各刀位处的进给速度以及刀轨各刀位处对应的机床各运动轴的位置，针对具体的机床数控系统输出相应的数控代码；步骤S7，使用离散矢量求交法计算当前刀轨加工后工件的几何形状信息。...

【技术特征摘要】
1.一种复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法，其特征在于，包括如
下步骤：
步骤S1，读入设计曲面对应的刀位文件，针对第一行刀轨中的离散刀位，经机床
运动学反解，获得机床各运动轴离散位置；
步骤S2，以机床各运动轴的速度、加速度、跃度极限和曲线弓高误差为约束，建
立时间最优的进给速度规划模型；求解该进给速度规划模型得到刀轨上各刀位处满足机
床性能约束的最大进给速度；
步骤S3，在步骤S2得到的最大进给速度的基础上，以进给速度最大为目标，刀具
切削过程中的最大切削力保持在设定切削力阈值范围内为约束，建立进给率优化模型；
步骤S4，根据工件、刀具几何信息以及加工刀轨信息，估算切削过程中刀轨上每
个刀位处的最大切削力；
步骤S5，通过二分法求解进给率优化模型：当刀轨上某个刀位处最大切削力与设
定切削力阈值的误差百分比少于5％时，完成模型优化，获得该刀位处更新后的进给速
度；否则用该刀位处更新后的进给速度重新计算该刀位处的最大切削力，并继续模型优
化过程；
步骤S6，由步骤S5中获得的刀轨上各刀位处的进给速度以及刀轨各刀位处对应的
机床各运动轴的位置，针对具体的机床数控系统输出相应的数控代码；
步骤S7，使用离散矢量求交法计算当前刀轨加工后工件的几何形状信息。
2.根据权利要求1所述的复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法，其
特征在于，步骤S1中，所述设计曲面为已知的待加工曲面的CAD模型，设计曲面所对...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱利民，卢耀安，丁烨，黄杰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31