一种刀具－工件切触区域的判定方法技术

本发明专利技术公开了一种刀具‑工件切触区域的判定方法，其主要包括以下步骤：分别建立刀具坐标系和工件坐标系，确定切削刃微元同一时刻在两个坐标系中的描述；确定切削刃微元是否在工件加工表面外；确定切削刃微元是否在前切削刃周期最低点下；确定切削刃微元是否在前刀齿包络面内；根据前述步骤，确定切削刃微元是否在有效切触区域内。本发明专利技术技术方案的算法，克服了现有技术效率低、过程复杂的不足，具有计算时间短、预测精度高的特点，尤其在五轴复杂曲面加工方面，可以更好地兼顾效率和精度，大大优化了刀具切削力的计算过程。

Method for judging cutting contact area of cutting tool workpiece

Determination method of the invention discloses a tool workpiece contact area, which comprises the following steps: establish the tool and workpiece coordinate system, determine the cutting edge element at the same time described in two coordinate system; to determine whether the cutting edge element in workpiece surface; to determine whether the cutting edge element at the lowest point of the cycle before cutting edge; determine the cutting edge on the rake tooth is micro envelope; according to the above steps, determine whether the cutting edge element in effective contact area. The technical scheme of the invention overcomes the shortcomings of existing algorithms, the technology of low efficiency, complicated process, with short computation time and higher prediction accuracy, especially in the five axis machining complex surface, in order to balance the efficiency and accuracy of the calculation process, greatly improving the cutting force.

【技术实现步骤摘要】
一种刀具－工件切触区域的判定方法
本专利技术属于切削加工领域，具体涉及一种基于切削刃微元分类的刀具－工件切触区域的判定方法。
技术介绍
在切削加工过程中，为了保证工件的加工精度，需要紧密监控切削过程刀具与工件状态。切削力是刀具切入工件和切除切屑所需要的力，是切削加工过程中的重要物理现象之一，由于切削力是促使刀具与工件等产生变形的直接因素，也是监控切削过程刀具与工件状态的重要依据，准确预测切削力对于更好地研究切削机理和规划刀具轨迹具有重要意义。为了判断刀具切削刃是否参与切削以得到总切削力，需要确定刀具与工件的切触区域(Cuttingengagementregion)，切触区域的确定是切削力预测中的研究关键点之一。切触区域的确定是一个动态过程，需要随切削的进行更新刀具与工件的曲面。随着自由曲面五轴铣削在加工中日益广泛的应用和展现的优势，针对五轴铣削加工进行精确高效的切削力建模，切触区域判断等相关理论还有待进一步推进和完善。目前切触区域的确定的计算方法大体上有两类：布尔运算方法(Booleanoperationmethod)与Z-map方法。其中，布尔运算方法计算量较大，尤其是对于五轴复杂曲面加工来说，其计算过程需要耗费大量的时间。Z-map可根据精度需要设置离散网格点，网格点越小，计算时间越长，预测精度越高；反之，网格点越大，计算时间越短。在实际的应用中，布尔运算方法在处理一些低轴简单曲面加工问题上具有一定的优势，但是在五轴复杂曲面加工方面，耗时耗力，精度难以保证；Z-map运算方法虽然可以满足五轴复杂曲面加工的精度要求，但是这种方法无法兼顾效率和精度。专利技术内容针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种刀具－工件切触区域的判定方法，该方法将切削刃微元划分为不同类别，从而可以快速判定切削刃微元是否参与切触,实现精确高效的切触区域判断，具有计算时间短、预测精度高的特点，尤其在五轴复杂曲面加工方面，相较于现有技术，可以更好地兼顾效率和精度。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种刀具-工件切触区域的判定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，分别以刀具和工件为参照系建立刀具坐标系和工件坐标系，确定任意时刻切削刃微元在刀具坐标系和工件坐标系中的数学描述，确定任意时刻工件加工表面在工件坐标系中的数学描述；步骤二，确定当前时刻切削刃微元与当前工件加工表面在同一坐标系中的数学描述，通过同一坐标系中切削刃微元和当前工件加工表面的数学描述，确定切削刃微元与当前工件加工表面的位置关系，判断切削刃微元是否位于可能切触空间内；步骤三，获取前一时刻完成的切削周期最低点在刀具坐标系和工件坐标系中的数学描述，通过同一坐标系中切削刃微元和切削周期最低点的数学描述，确定当前时刻切削刃微元与所述最低点的位置关系，判断所述切削刃微元是否位于所述最低点下；步骤四，比较在同一时刻切削刃微元的切削半径与切削刃微元所在位置同一轴向高度的离散层的刀具半径大小，其中，若切削半径大于刀具半径，则该切削刃微元不在前刀齿包络面内，若切削半径不大于刀具半径，则该切削刃微元在前刀齿包络面内，即确定切削刃微元是否在前刀齿包络面内；步骤五，满足下列条件之一的微元位于有效切触区域内：条件一，切削刃微元不在不可能切触空间，且切削刃微元位于前切削刃周期最低点下；条件二，切削刃微元不在不可能切触空间，且切削刃微元不在前切削刃周期最低点下，且切削刃微元位于前刀齿包络面内。本专利技术技术方案的算法，其原理在于，分别建立刀具坐标系和工件坐标系，在刀具坐标系和工件坐标系中将切削刃以微元形式表达。通过不同的边界条件，比较切削刃微元在工件坐标系中的位置关系，来确定当前区域是否是有效的切触区域。具体的，需要分别以刀具和工件作为参照建立刀具坐标系和工件坐标系，其中，刀具坐标系相对工件坐标系是运动的，这种运动不是随机的。对于切削刃微元而言，其既在刀具坐标系中，也在工件坐标系中，因此同一时刻下切削刃微元会具有两种描述形式，即其在刀具坐标系中的描述和在工件坐标系中的描述WPH,t。类似的，当前工件切削表面也可以采用数学表达式进行描述。通过上述描述，结合数学几何计算方法，可以判断切削刃微元与工件加工表面的位置关系、判断切削刃微元是否在前切削刃周期最低点下，以及切削刃微元是否在前刀齿包络面内，上述三个条件共同确定切削刃微元是否在工件的有效切触区域内，且上述判断条件需要分别完成。在这种坐标系描述方法中，切削刃微元与工件加工表面的位置关系，具体到坐标系中即为坐标系中点与面位置关系。工件加工表面在工件坐标系中是一个明确的面，其在工件坐标系中的表达式可以确定，切削刃微元是一个点，通过其在工件坐标系中的表达式可以确定其与工件加工表面的位置关系。切削刃微元可以位于工件加工表面上或者工件加工表面两侧中的任意一侧，其中一侧一定不包含有效切触区域，当切削刃微元位于不包含有效切触区域一侧时，即位于不可能切触空间内时，该切削刃微元一定不可能在有效切触区域内；当切削刃微元不位于不包含有效切触区域一侧时，该切削刃微元可能在有效切触区域内。在坐标系空间里，工件加工表面将空间划分为三部分，其中一侧为不包含工件有效切触区域的一侧，就是不可能切触空间；包含工件有效切触区域一侧以及工件的加工表面都是可能切触空间。类似的，前切削刃周期最低点属于已经完成的切削周期过程中，已切除区域最低点，换言之即为前一切削刃周期中所有切削刃微元在切削周期中最低的一个点。该最低点的表达式是可以确定的，利用数学计算方法比较切削刃微元与该最低点的表达式大小，即可确定两者之间的位置关系。具体来说，如果切削刃微元在上述最低点的位置之下，且该切削刃微元同时满足不在不可能切触空间，那么该切削刃微元一定在有效的切触区域内；如果切削刃微元不在上述最低点的位置之下，且该切削刃微元不在不可能切触空间，该切削刃微元不一定在有效的切触区域内。前一个切削周期完成后，前刀齿包络面内的切削区域已经完成切削工作，不再含有有效的切触区域。因此，位于有效切触区域内的切削刃微元一定不在前刀齿包络面内。比较在同一时刻切削刃微元的切削半径与切削刃微元所在位置同一轴向高度的离散层的刀具半径大小，可以确定切削刃微元是否在前刀齿包络面内，以确定当前切触区域是否有效。具体来说，若切削半径大于刀具半径，则该切削刃微元不在前刀齿包络面内，若切削半径不大于刀具半径，则该切削刃微元在前刀齿包络面内。该条件不是单独起作用的，其还需要与其他条件结合起来才能判断微元所在的具体位置。步骤五中明确了在有效切触区域内的切削刃微元需要满足的条件，只有切削刃微元不在不可能切触空间、且切削刃微元位于前切削刃周期最低点下，或切削刃微元不在不可能切触空间、且切削刃微元不在前切削刃周期最低点下、且切削刃微元位于前刀齿包络面内，才属于有效的切触区域。本专利技术技术的判断方法，实际上是通过不同的边界条件，利用高等数学的线性规划理论，将工件坐标系划分为不同的区域，有效的切触区域为其中一部分。将切削刃微元与各个边界条件一一进行比较，确定切削刃微元所在区域，只有在有效的切触区域内，才能完成切削动作。换言之，切削刃微元需要经过上述边界条件的判定，才能确定是否位于有效的切触区域内。作为本专利技术的一个优选技术方案，步骤一中所述切削刃微本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种刀具‑工件切触区域的判定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，分别以刀具和工件为参照系建立刀具坐标系和工件坐标系，确定任意时刻切削刃微元在刀具坐标系和工件坐标系中的数学描述，同时确定任意时刻工件加工表面在工件坐标系中的数学描述；步骤二，确定当前时刻切削刃微元与当前工件加工表面在同一坐标系中的数学描述，据此确定切削刃微元与当前工件加工表面的位置关系，从而判断切削刃微元是否位于所述加工表面一侧或加工表面上的可能切触空间内或是位于另一侧的不可能切触空间内；步骤三，获取前一时刻切削最低点在刀具坐标系和工件坐标系中的数学描述，通过同一坐标系中切削刃微元和该切削最低点的数学描述，确定当前时刻切削刃微元与所述切削最低点的位置关系，判断所述切削刃微元是否位于所述切削最低点下；步骤四，比较在同一时刻切削刃微元的切削半径与切削刃微元所在位置同一轴向高度的离散层的刀具半径大小，以此确定切削刃微元是否在前刀齿包络面内，其中，若切削半径大于刀具半径，则该切削刃微元不在前刀齿包络面内，若切削半径不大于刀具半径，则该切削刃微元在前刀齿包络面内；步骤五，满足下列任一条件的切削刃微元位于有效切触区域内：(一)切削刃微元不在不可能切触空间，且切削刃微元位于前切削刃周期最低点下；(二)切削刃微元不在不可能切触空间，且切削刃微元不在前切削刃周期最低点下，但切削刃微元位于前刀齿包络面内。...

【技术特征摘要】
1.一种刀具-工件切触区域的判定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，分别以刀具和工件为参照系建立刀具坐标系和工件坐标系，确定任意时刻切削刃微元在刀具坐标系和工件坐标系中的数学描述，同时确定任意时刻工件加工表面在工件坐标系中的数学描述；步骤二，确定当前时刻切削刃微元与当前工件加工表面在同一坐标系中的数学描述，据此确定切削刃微元与当前工件加工表面的位置关系，从而判断切削刃微元是否位于所述加工表面一侧或加工表面上的可能切触空间内或是位于另一侧的不可能切触空间内；步骤三，获取前一时刻切削最低点在刀具坐标系和工件坐标系中的数学描述，通过同一坐标系中切削刃微元和该切削最低点的数学描述，确定当前时刻切削刃微元与所述切削最低点的位置关系，判断所述切削刃微元是否位于所述切削最低点下；步骤四，比较在同一时刻切削刃微元的切削半径与切削刃微元所在位置同一轴向高度的离散层的刀具半径大小，以此确定切削刃微元是否在前刀齿包络面内，其中，若切削半径大于刀具半径，则该切削刃微元不在前刀齿包络面内，若切削半径不大于刀具半径，则该切削刃微元在前刀齿包络面内；步骤五，满足下列任一条件的切削刃微元位于有效切触区域内：(一)切削刃微元不在不可能切触空间，且切削刃微元位于前切削刃周期最低点下；(二)切削刃微元不在不可能切触空间，且切削刃微元不在前切削刃周期最低点下，但切削刃微元位于前刀齿包络面内。2.根据权利要求1所述的一种刀具-工件切触区域的判定方法，其中，步骤一中所述切削刃微元在刀具坐标系和工件...

【专利技术属性】
技术研发人员：段现银，彭芳瑜，朱泽润，蒋国璋，周敏，
申请(专利权)人：武汉科技大学，华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42