基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺方法技术

本发明专利技术公开了一种基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺方法，包括如下步骤：建立环形刀刀轴矢量与刀位设计变量之间的关系方程；建立环形刀刀轴矢量与五轴数控机床回转轴A和C之间的运动变换方程；建立环形刀刀位设计变量和五轴数控机床回转轴A和C之间的关系方程；确定环形刀刀轴矢量光顺的设计变量、目标函数和约束条件，建立基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺数学模型；确定上述刀轴矢量光顺数学模型的求解方法。该方法能够避免机床回转轴的急剧变化，使机床回转轴运动更加平稳和光滑，大幅降低机床回转轴的角速度和角加速度，从而提高曲面的加工质量和加工效率，具有较强的实际应用价值。

【技术实现步骤摘要】
基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺方法
本专利技术涉及一种五轴数控机床刀轴矢量光顺方法，尤其涉及基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺方法，属于五轴数控加工

技术介绍
当使用环形刀五轴加工复杂曲面时，由于曲面几何性质较差，比如曲面的法向量、主方向、曲率等，容易导致所生成的环形刀刀轴矢量发生突变和大幅波动。即使采用最简单刀具定位方法(如Sturz法)五轴加工上述曲面区域，也会引起刀轴矢量的剧烈变化，从而影响五轴机床运动的平稳性、超出机床进给轴的伺服能力和增大加工过程中的非线性误差等。因此获得五轴数控加工中环形刀光滑刀轴矢量成为曲面加工技术的重要研究方向。为获得光滑的刀轴矢量，国内外学者在刀轴矢量优化方面开展了大量研究工作，并提出许多五轴加工刀轴矢量优化方法，主要集中于两个方面：一是在工件坐标系中仅考虑几何约束的刀轴矢量优化方法；二是在工件坐标系中考虑几何约束和运动学约束的刀轴矢量优化方法。现有技术一，文献(周波,赵吉宾与刘伟军,复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法研究.机械工程学报,2013(07):184-192)提出一种复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法。首先在非干涉域内有效插入限定的加工点位，保证刀轴矢量的整体优化；同时在干涉域内采用改进的C-Space法，生成刀轴矢量光顺可行域。现有技术二，文献(王晶等,复杂曲面零件五轴加工刀轴整体优化方法.航空学报,2013(06):1452-1462)提出一种基于临界约束的五轴刀轴矢量整体优化方法。首先构造了给定切触点处所有可行摆刀平面，并在摆刀平面内根据临界约束计算出临界刀轴矢量，在获得临界刀轴矢量的基础上，对其进行平面映射，建立了刀轴摆动的初始可行域；其次，通过对初始可行域进行均匀离散，根据离散点之间相对位置关系构造邻接矩阵，并结合最短路径搜索算法获得了初始参考刀轴，从而构造了新的刀轴摆动可行域；最后，建立当前切削行内无干涉且相邻刀轴变化最小的刀轴矢量优化模型，实现自由曲面五轴加工无干涉刀轴矢量的光滑控制。上述现有技术至少存在以下缺点：上述方法主要以刀具与工件/机床之间不发生过切和全局干涉等作为约束条件，以工件坐标系中刀轴矢量变化最小或光滑变化作为目标函数进行刀轴矢量优化，从而获得工件坐标系中无干涉和光滑的刀轴矢量。而五轴数控机床因结构差异较大，尽管工件坐标系中刀轴矢量光滑变化，却很难保证机床坐标系中五轴机床各坐标轴尤其是回转轴都能光滑运动而无突变现象发生，从而影响机床运动的平稳性、超出机床进给轴的伺服能力和增大加工过程中的非线性误差等。因此，有必要在工件坐标系中进行刀轴矢量优化时需考虑机床坐标系中机床回转轴的变化情况，或者在机床坐标系中直接对机床回转轴进行光顺优化。
技术实现思路
为克服现有环形刀五轴加工复杂曲面刀轴矢量发生突变和大幅波动的问题，本专利技术提供一种基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是这样的：一种基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺方法，包括以下步骤：A、建立环形刀刀轴矢量与刀位设计变量之间的关系方程；B、建立环形刀刀轴矢量与五轴数控机床回转轴A和C之间的运动变换方程；C、建立环形刀刀位设计变量和五轴数控机床回转轴A和C之间的关系方程；D、确定环形刀刀轴矢量光顺的设计变量、目标函数和约束条件，建立基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺数学模型；E、确定步骤D中刀轴矢量光顺数学模型的求解方法。作为优选：所述步骤A具体为：(1)在刀触点处建立刀具局部坐标系，推导出局部坐标系OLXLYLZL中环形刀刀轴矢量与刀位设计变量之间的关系方程：式中，θ为局部坐标系中环形刀绕YL轴转动的前倾角，φ为局部坐标系中环形刀具绕ZL轴转动的侧偏角，在局部坐标系OLXLYLZL中刀触点处环形刀刀位点径矢为：式中，r为环形刀的截圆半径，R为环形刀的环心圆半径。(2)建立工件坐标系中环形刀刀轴矢量与刀位设计变量之间的关系方程：式中，e1＝(x1,y1,z1)T，e2＝(x2,y2,z2)T，e3＝(x3,y3,z3)T分别为局部坐标系OLXLYLZL各坐标轴在工件坐标系OwXwYwZw中的单位矢量；在工件坐标系OwXwYwZw中刀触点处环形刀刀位点径矢为：作为优选：所述步骤B中，根据AC型五轴数控机床具体结构、机床运动链和机床各坐标系之间关系，建立环形刀刀轴矢量与五轴数控机床回转轴A和C之间关系方程：作为优选：所述步骤C中，联立式(3)和(5)，则推导出环形刀刀位设计变量和机床回转轴A和C之间的关系方程：作为优选：所述步骤D中，以机床坐标系中机床回转轴A和C作为设计变量，以曲面每行刀轨所有刀触点{Pi,i＝1,…,N}处复合角加速度的平方和作为目标函数，以机床回转轴A和C的角度、角速度和角加速度限制范围作为约束条件，建立基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺数学模型：式中，N为给定行刀轨上刀触点数目，β1和β2分别代表机床回转轴A和C转角，ω1和ω2分别代表机床回转轴A和C角速度，α1和α2分别代表机床回转轴A和C加速度，和分别代表机床回转角β1和β2运动范围,和分别代表机床回转角β1和β2角速度限制范围,和分别代表机床回转角β1和β2角加速度限制范围，曲面上任意刀触点Pi处的复合角加速度定义为：式中，为刀触点Pi处的刀轴矢量，t代表时间。作为优选：所述步骤E具体为：(1)利用现有环形刀五轴刀位优化方法生成给定曲面采样刀触点处的刀位，然后获得上述采样刀触点处的初始刀轴矢量；(2)利用式(5)计算出各采样刀触点处所对应的机床回转角A和C，再利用三次样条插值函数分别将各采样刀触点处的机床回转角A和C进行三次样条拟合；(3)利用步骤(2)所得到的三次样条插值拟合函数计算每行刀轨刀触曲线上各刀触点处机床回转角A和C；利用式(6)计算各刀触点处环形刀刀位设计变量θ和ψ；求解各刀触点处环形刀刀位误差分布，并计算环形刀与工件曲面之间最小有向距离δ；如果δ＜0，即环形刀与工件曲面之间发生干涉，则使环形刀沿该刀触点法矢方向平移距离|δ|；利用式(4)和(3)计算出各刀触点处环形刀刀位点径矢和刀轴矢量，直到求解出该行刀轨刀触曲线上所有刀触点的刀位点径矢和刀轴矢量。本专利技术的有益效果是，该方法能够避免机床回转轴突变和不光顺，使机床回转轴运动更加平稳和光滑，大幅减少机床回转轴的角速度和角加速度，从而提高曲面的加工质量和加工效率。附图说明图1为基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺方法流程图图2为环形刀初步定位；图3为AC′型五轴数控机床结构示意图；图4为AC′型五轴数控机床中的坐标系；图5为基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺数学模型求解流程图。具体实施方式本专利技术的一种基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺方法，其基本流程如图1所示，较佳的具体实施方式是，包括：步骤A、建立环形刀刀轴矢量与刀位设计变量之间的关系方程。所述步骤A具体为：(1)局部坐标系中环形刀刀轴矢量与刀位设计变量之间的关系方程如图1所示，设环形刀加工工件曲面S，r(u,v)，Pcc(ucc,vcc)为曲面上任意一点，ncc为该点的单位法矢。令r为环形刀的截圆半径，OL为局部坐标系的原点，则其中分别为点OL本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺方法，其特征在于，包括如下步骤：A、建立环形刀刀轴矢量与刀位设计变量之间的关系方程；B、建立环形刀刀轴矢量与五轴数控机床回转轴A和C之间的运动变换方程；C、建立环形刀刀位设计变量和五轴数控机床回转轴A和C之间的关系方程；D、确定环形刀刀轴矢量光顺的设计变量、目标函数和约束条件，建立基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺数学模型；E、确定步骤D中刀轴矢量光顺数学模型的求解方法。

【技术特征摘要】
1.一种基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺方法，其特征在于，包括如下步骤：A、建立环形刀刀轴矢量与刀位设计变量之间的关系方程；B、建立环形刀刀轴矢量与五轴数控机床回转轴A和C之间的运动变换方程；C、建立环形刀刀位设计变量和五轴数控机床回转轴A和C之间的关系方程；D、确定环形刀刀轴矢量光顺的设计变量、目标函数和约束条件，建立基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺数学模型；E、确定步骤D中刀轴矢量光顺数学模型的求解方法。2.根据权利要求1所述的基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺方法，其特征在于，所述步骤A具体为：(1)在刀触点处建立刀具局部坐标系，推导出局部坐标系OLXLYLZL中环形刀刀轴矢量与刀位设计变量之间的关系方程：式中，θ为局部坐标系中环形刀绕YL轴转动的前倾角，φ为局部坐标系中环形刀具绕ZL轴转动的侧偏角，在局部坐标系OLXLYLZL中刀触点处环形刀刀位点径矢为：式中，r为环形刀的截圆半径，R为环形刀的环心圆半径。(2)建立工件坐标系中环形刀刀轴矢量与刀位设计变量之间的关系方程：式中，e1＝(x1,y1,z1)T，e2＝(x2,y2,z2)T，e3＝(x3,y3,z3)T分别为局部坐标系OLXLYLZL各坐标轴在工件坐标系OwXwYwZw中的单位矢量；在工件坐标系OwXwYwZw中刀触点处环形刀刀位点径矢为：3.根据权利要求1所述的基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺方法，其特征在于，所述步骤B中，根据AC型五轴数控机床具体结构、机床运动链和机床各坐标系之间关系，建立环形刀刀轴矢量与五轴数控机床回转轴A和C之间关系方程：4.根据权利要求1所述的基于AC型五轴数控机床环形刀加工刀轴矢量光顺方法，其特征在于，所述步骤C中，联立式(3)和(5)，则推导出环形刀刀位设计变量和机床回转轴A和C...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐汝锋，郑光明，程祥，孟建兵，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37