一种非轴对称扫掠曲面的数控车削刀具轨迹规划方法技术

本发明专利技术公开了一种非轴对称扫掠曲面的数控车削刀具轨迹规划方法，包括以下步骤：建立数控车削加工综合坐标系，所述的数控车削加工综合坐标系；将非轴对称扫掠曲面点集的表达式转化为在工件工作坐标系下的非轴对称扫掠曲面点集的表达式，生成非轴对称扫掠曲面；根据非轴对称扫掠曲面点集的表达式求得非轴对称扫掠曲面点集的法向量的表达式；根据非轴对称扫掠曲面点集的表达式建立螺旋式曲面车削刀触点加工轨迹；建立刀具切削刃的空间位姿表达式；求得在工件工作坐标系下刀具刀位点的坐标值；将刀具刀位点坐标值转换为实际加工数据。有效提高了此类零件的模型生成效率和模型精度；有助于提高加工效率，有效提高了非轴对称曲面加工效率和加工精度。

A tool path planning method for numerical control turning of non axisymmetric swept surfaces

The invention discloses a CNC turning tool path planning method for non axisymmetric swept surfaces, which comprises the following steps: establishing a comprehensive coordinate NC machining system, the comprehensive coordinate NC turning system; the expression of non axisymmetric curved sweep point sets of expression into the non axisymmetric workpiece coordinate system the swept surface point set, generating non axisymmetric swept surfaces; according to the expressions of non axisymmetric swept surface point sets obtained non axisymmetric vector swept surface point set; according to the expression of non axisymmetric swept surface point set of machining spiral surface turning cutter contact; a cutting position is obtained in the workpiece coordinate expression; work coordinate tool site value; tool cutter position coordinate transformation for the actual processing of data. The model generation efficiency and model precision are improved effectively, and the machining efficiency is improved, and the machining efficiency and machining accuracy of the non axisymmetric surface are improved effectively.

【技术实现步骤摘要】
一种非轴对称扫掠曲面的数控车削刀具轨迹规划方法
本专利技术涉及机械数控加工
，具体涉及一种非轴对称扫掠曲面的数控车削刀具轨迹规划方法。
技术介绍
根据非轴对称扫掠曲面类回转体零件的结构特点，已广泛应用与自动化设备制造业。具备此特征的零件其可用于实现特殊运动、改善应力分布状态并提高零件使用寿命，主要应用于精密传动机构及自动化设备。目前，此类零件的数控加工一般通过CAM软件使用NURBS(非均匀B样条)曲线来拟合复杂曲面，并将其参数转化到数控铣削加工系统生成加工数据。这种加工方法不仅存在曲面拟合带来的误差，而且在加工过程中通常需要多次装夹，引入重复定位误差，且非常耗时。文献“MachiningofNon-axisymmetriccurvedsurfacebylatheturning”(ASME2013InternationalMechanicalEngineeringCongressandExposition)应用NURBS曲线拟合近似法建立了非轴对称曲面的车削CAM系统，并通过该系统生成了连续的螺旋状刀具进给轨迹。此研究涉及的加工方法及刀具补偿方法改善了此类零件的加工精度，但是此系统曲面的拟合精度直接影响曲面的最终加工精度。文献“Variableanglecompensationcontrolofnoncircularturning”(InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,2014,Vol.70:735-746)提出了一种针对非圆截面零件的变切削角度补偿车削方法，通过非圆截面零件的细分及重构生成了以离散点形式表达的加工轨迹，并通过变切削角度补偿机构及控制方法保证了切削前角一致性。但是这种重构方法引入了细分截面之间的重复度误差，且误差的累积难以评定和消除。为了避免非轴对称扫掠曲面拟合误差，提高此类回转体零件的加工效率和加工精度。因此，本专利技术基于符号计算方法提出了一种非轴对称扫掠曲面的数控车削刀具轨迹规划方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种非轴对称扫掠曲面的数控车削刀具轨迹规划方法，有效提高了此类零件的模型生成效率和模型精度；有助于提高加工效率，有效提高了非轴对称曲面加工效率和加工精度。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种非轴对称扫掠曲面的数控车削刀具轨迹规划方法，包括以下步骤：1)建立所述非轴对称扫掠曲面的数控车削加工综合坐标系，所述的数控车削加工综合坐标系包括机床参考坐标系{SM}、工件工作坐标系{SW}、切削刃局部坐标系{ST}、工件设计坐标系{SK}、工作台纵向坐标系{SFA}和工作台横向坐标系{SFR}；2)将工件设计坐标系{SK}下的非轴对称扫掠曲面点集的表达式转化为在工件工作坐标系{SW}下的非轴对称扫掠曲面点集的表达式，生成非轴对称扫掠曲面；3)根据工件工作坐标系{SW}下非轴对称扫掠曲面点集的表达式，求得在工件工作坐标系{SW}下非轴对称扫掠曲面点集的法向量的表达式；4)根据在工件工作坐标系{SW}下的非轴对称扫掠曲面点集的表达式，在工件工作坐标系{SW}下建立螺旋式曲面车削刀触点加工轨迹；5)根据车削刀具参数，在切削刃局部坐标系{ST}下建立刀具切削刃的空间位姿表达式；6)从非轴对称扫掠曲面点集选取螺旋式曲面车削刀触点加工轨迹上的点，生成在工件工作坐标系{SW}刀触点法向量，根据在工件工作坐标系{SW}下的刀触点法向量和在切削刃局部坐标系{ST}下切削刃空间位姿表达式，求得在工件工作坐标系{SW}下刀具刀位点的坐标值；7)将在工件工作坐标系{SW}下的刀具刀位点坐标值转换为实际加工数据。按照上述技术方案，所述的步骤1)中，所述的机床参考坐标系{SM}为数控车削设备的机床参考坐标系，为机床机械原点参考坐标系，机床参考坐标系{SM}的原点位于机床卡盘端面与回转主轴中心线交点处；所述的工件设计坐标系{SK}为非轴对称扫掠曲面类工件的设计坐标系，用于描述工件的形状特征及尺寸；所述的工件工作坐标系{SW}为非轴对称扫掠曲面类工件的工作坐标系，工件工作坐标系{SW}的原点位于工件右端面与回转主轴中心交点处，用于描述工件的装夹位置和方向，工件工作坐标系{SW}的坐标轴与机床参考坐标系{SM}坐标轴相互平行；所述的切削刃局部坐标系{ST}：为车削刀具切削刃的局部参考坐标系，切削刃局部坐标系{ST}的原点位于切削刃的圆心处，用于描述切削刃的几何模型、实际位置及其空间位姿，切削刃局部坐标系{ST}的坐标轴与工件工作坐标系{SW}坐标轴相互平行；所述的工作台纵向坐标系{SFA}和工作台横向坐标系{SFR}分别用于描述沿数控车削设备纵向和横向实际进给位置的参考坐标系，工作台纵向坐标系{SFA}和工作台横向坐标系{SFR}的原点各自位于远离机械原点的极限位置。按照上述技术方案，所述的步骤2)中，通过齐次坐标变换方法将工件设计坐标系{SK}下的非轴对称扫掠曲面点集的表达式转化为在工件工作坐标系{SW}下的非轴对称扫掠曲面点集的表达式，在工件工作坐标系{SW}下非轴对称扫掠曲面的表达式为：其中，OK＝[0,0,0,1]T为工件设计坐标系{SK}的坐标原点，r(z)为在工件设计坐标系{SK}下的曲面空间轴线方程，rw(z)为在工件设计坐标系{SK}下的扫掠截面轮廓特征方程，以工件设计坐标系{SK}原点为起点，首先沿YK轴方向平移距离r(z)，沿ZK轴方向平移距离z，分别记平移矩阵为TKY和TKZ，然后在所生成的中间变换坐标系中，绕轴旋转角度α，记旋转举证为RKX，最后在所生成的中间变换坐标系中，绕轴旋转角度β，转换为平移矩阵分别记为TKSX和TKSY，YK轴和ZK轴分别为空间轴线在工件设计坐标系{SK}中平面YKOKZK中两个垂直的坐标轴线，轴和轴为中间变换坐标系中坐标轴线。按照上述技术方案，所述的步骤3)中，在工件工作坐标系{SW}中非轴对称扫掠曲面点集所对应的法向量表达式为：按照上述技术方案，所述的步骤4)中，所述的螺旋式曲面车削刀触点加工轨迹在工件工作坐标系{SW}中的表达式为其中，为极半径，为极角。按照上述技术方案，所述步骤4)中，螺旋式曲面车削刀触点加工轨迹的求取过程：将在工件设计坐标系{SK}下表示的非轴对称扫掠曲面点集AK＝(xK,yK,zK)转换为工件工作坐标系{SW}下的极坐标表达式在变换过程中根据阿基米德螺旋线投影公式进行等弧长细分：其中，r0为起始点极距，rk为终点极距；a＝Δrk/Δθk，Δrk为相邻两点的极径之差，Δθk为相邻两点的极角之差；沿工件坐标系的ZW方向进行截面细分，取截面间距为Δzk/n(其中Δzk＜rε，rε为切削刃半径，n为单位截面距离内的螺旋线点数)；通过连续积分最终获取连续的螺旋线刀具轨迹按照上述技术方案，所述的步骤5)中，在切削刃局部坐标系{ST}下所述的刀具切削刃的空间位姿表达式为：其中，rε为切削刃半径，为实际切削点与计算起始点之间的夹角，γp为切削刀具的轴向前角、γf为切削刀具的径向前角、κr为切削刀具的主偏角。按照上述技术方案，所述步骤5)中在刀具局部坐标系{ST}下刀具切削刃的空间位姿表达式中，所述的刀具切削刃的二维几何本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非轴对称扫掠曲面的数控车削刀具轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立所述非轴对称扫掠曲面的数控车削加工综合坐标系，所述的数控车削加工综合坐标系包括机床参考坐标系{S

【技术特征摘要】
1.一种非轴对称扫掠曲面的数控车削刀具轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立所述非轴对称扫掠曲面的数控车削加工综合坐标系，所述的数控车削加工综合坐标系包括机床参考坐标系{SM}、工件工作坐标系{SW}、切削刃局部坐标系{ST}、工件设计坐标系{SK}、工作台纵向坐标系{SFA}和工作台横向坐标系{SFR}；2)将工件设计坐标系{SK}下的非轴对称扫掠曲面点集的表达式转化为在工件工作坐标系{SW}下的非轴对称扫掠曲面点集的表达式，生成非轴对称扫掠曲面；3)根据工件工作坐标系{SW}下非轴对称扫掠曲面点集的表达式，求得在工件工作坐标系{SW}下非轴对称扫掠曲面点集的法向量的表达式；4)根据在工件工作坐标系{SW}下的非轴对称扫掠曲面点集的表达式，在工件工作坐标系{SW}下建立螺旋式曲面车削刀触点加工轨迹；5)根据车削刀具参数，在切削刃局部坐标系{ST}下建立刀具切削刃的空间位姿表达式；6)从非轴对称扫掠曲面点集选取螺旋式曲面车削刀触点加工轨迹上的点，生成在工件工作坐标系{SW}刀触点法向量，根据在工件工作坐标系{SW}下的刀触点法向量和在切削刃局部坐标系{ST}下切削刃空间位姿表达式，求得在工件工作坐标系{SW}下刀具刀位点的坐标值；7)将在工件工作坐标系{SW}下的刀具刀位点坐标值转换为实际加工数据。2.根据权利要求1所述的非轴对称扫掠曲面的数控车削刀具轨迹规划方法，其特征在于，所述的步骤1)中，所述的机床参考坐标系{SM}为数控车削设备的机床参考坐标系，为机床机械原点参考坐标系，机床参考坐标系{SM}的原点位于机床卡盘端面与回转主轴中心线交点处；所述的工件设计坐标系{SK}为非轴对称扫掠曲面类工件的设计坐标系，用于描述工件的形状特征及尺寸；所述的工件工作坐标系{SW}为非轴对称扫掠曲面类工件的工作坐标系，工件工作坐标系{SW}的原点位于工件右端面与回转主轴中心交点处，用于描述工件的装夹位置和方向，工件工作坐标系{SW}的坐标轴与机床参考坐标系{SM}坐标轴相互平行；所述的切削刃局部坐标系{ST}：为车削刀具切削刃的局部参考坐标系，切削刃局部坐标系{ST}的原点位于切削刃的圆心处，用于描述切削刃的几何模型、实际位置及其空间位姿，切削刃局部坐标系{ST}的坐标轴与工件工作坐标系{SW}坐标轴相互平行；所述的工作台纵向坐标系{SFA}和工作台横向坐标系{SFR}分别用于描述沿数控车削设备纵向和横向实际进给位置的参考坐标系，工作台纵向坐标系{SFA}和工作台横向坐标系{SFR}的原点各自位于远离机械原点的极限位置。3.根据权利要求1所述的非轴对称扫掠曲面的数控车削刀具轨迹规划方法，其特征在于，所述的步骤2)中，通过齐次坐标变换方法将工件设计坐标系{SK}下的非轴对称扫掠曲面点集的表达式转化为在工件工作坐标系{SW}下的非轴对称扫掠曲面点集的表达式，在工件工作坐标系{SW}下非轴对称扫掠曲面的表达式为：其中，OK＝[0,0,0,1]T为工件设计坐标系{SK}的坐标原点，r(z)为在工件设计坐标系{SK}下的曲面空间轴线方程，rw(z)为在工件设计坐标系{SK}下的扫掠截面轮廓特征方程，以工件设计坐标系{SK}原点为起点，首先沿YK轴方向平移距离r(z)，沿ZK轴方向平移距离z，分别记平移矩阵为TKY和TKZ，然后在所生成的中间变换坐标系中，绕轴旋转角度α，记旋转举证为RKX，最后在所生成的中间变换坐标系中，绕轴旋转角度β，转换为平移矩阵分别记为TKSX和TKSY，YK轴和ZK轴分别为空间轴线在工件设计坐标系{SK}中平面YKOKZK中两个垂直的坐标轴线，轴和轴为中间变换坐标系中坐标轴线。4.根据权利要求3所述的非轴对称扫掠曲面的数控车削刀具轨迹规划方法，其特征在于，所述的步骤3)中，在工件工作坐标系{SW}中非轴对称扫掠曲面点集所对应的法向量表达式为：5.根据权利要求3所述的非轴对称扫掠曲面的数控车削刀具轨迹规划方法，其特征在于，所述的步骤4)中，所述的螺旋式曲面车削刀触点加工轨迹在工件工作坐标系{SW}中的表达式为其中，

【专利技术属性】
技术研发人员：卢红，张永权，苏宪刚，魏钦玉，凌鹤，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42