一种基于摆动误差的刀具姿角可行域求解方法技术

本发明专利技术一种基于摆动误差的刀具姿角可行域求解方法属于多轴数控机床高精加工领域，涉及一种基于摆动误差的刀具姿角可行域求解方法。该方法在求解单点无干涉可行域的基础上，通过分析刀具与工件切触几何关系，根据旋转轴变化建立相邻刀位点间实际切削轨迹方程。计算实际切削轨迹偏离插补轨迹的偏差即刀轴摆动误差，建立旋转轴角度变化与刀轴摆动误差的关联关系，求解相邻刀位点旋转轴角度变化范围。利用当前刀轨参数确定的后一刀位点，将其单点无干涉可行刀具姿角范围与刀轴摆动误差约束下可行刀具姿角范围进行求交，获得高精加工刀具姿角无干涉可行域。该方法能有效提高加工曲面轮廓精度，适于应用到多轴数控高精加工中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于摆动误差的刀具姿角可行域求解方法
本专利技术属于多轴数控机床高精加工领域，涉及一种基于摆动误差的刀具姿角可行域求解方法。
技术介绍
复杂几何特征的曲面零件多采用多轴数控加工的方法，然而，由于旋转自由度的增加，刀具和曲面的碰撞干涉和过切干涉等干涉问题更加复杂，且对于高精加工来说，在实际多轴数控加工时产生的非线性误差不可忽略，基于常规方法求解无干涉可行域规划的加工刀矢无法满足零件加工精度要求。当刀轨参数确定时非线性误差主要由刀具姿角变化引起的摆动误差决定，在高精加工过程中微米级的摆动误差不可忽略，因此，考虑多轴数控机床实际加工时产生摆动误差，进行刀具姿角可行域求解，根据该可行域进行刀矢规划在实际加工中对保证加工精度具有重要意义。目前，针对零件几何特征的可行域求解方法已有较多研究，但面向高精加工要求的刀具姿角可行域求解方法鲜有报道。现有技术文献1“Globalobstacleavoidanceandminimumworkpiecesetupsinfive-axismachining”，Hu等，Computer-AidedDesign，2013，45(10):1222-1237，该文献对五轴加工中的避障问题进行了严格的分析，并提出了刀具姿角域的避障数值计算方法。然而该方法求解可行域未考虑相邻刀位点间刀轴矢量变化引起的摆动误差，虽然避免了由零件几何特征及夹具等引起的干涉问题，但无法保证加工质量。文献2“Singlesphericalanglelinearinterpolationforthecontrolofnon-linearityerrorsinfive-axisflankmilling”Zhang等，InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology，2016，87，3289-3299，该文献通过分析五轴CNC加工的旋转轴运动中的刀具路径插补误差，在垂直于刀具路径方向的平面中，通过考虑刀具方向的偏差来构造误差模型，提出了一种插值算法减小非线性误差的方法，虽然考虑摆动误差的影响，但未考虑零件几何特征复杂时，难以规划保证加工无干涉的合适刀矢，难以直接应用于多轴数控高精加工中。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术缺陷，专利技术一种基于摆动误差的刀具姿角可行域求解方法，该方法针对旋转轴角度变化时刀轴摆动产生的微误差致使零件加工精度难以达到极端制造需求的问题，通过建立刀具姿角变化与刀轴摆动误差的关联关系，结合刀具姿角单点无干涉可行域，开发出刀轴摆动误差抑制的相邻刀位点旋转轴角度变化范围求解方法，获得高精加工刀具姿角无干涉可行域，该方法可更有效的应用于多轴数控高精加工中。本专利技术的技术方案是一种基于摆动误差的刀具姿角无干涉可行域求解方法，其特性在于，该方法在求解单点无干涉可行域的基础上，通过分析刀具与工件切触几何关系，根据旋转轴变化建立相邻刀位点间实际切削轨迹方程；计算实际切削轨迹偏离插补轨迹的偏差即刀轴摆动误差，建立旋转轴角度变化与刀轴摆动误差的关联关系，求解相邻刀位点旋转轴角度变化范围；利用当前刀轨参数确定的后一刀位点，将其单点无干涉可行刀具姿角范围与刀轴摆动误差约束下，可行刀具姿角范围进行求交，确定高精加工无干涉刀具姿角可行域；方法的具体过程如下：第一步建立单点无干涉可行域为描述刀具实际切削轨迹，先建立坐标系统：局部坐标系、工件坐标系以及机床坐标系；设待加工自由曲面方程为S(u,v)，u,v分别为自由曲面方程的参数，曲面上刀具运动轨迹方程C(u(t),v(t))，轨迹上任意一刀触点P(uP,vP)，建立其局部坐标系，定义局部坐标系XL轴沿刀触点P进给方向，ZL轴沿刀触点P处曲面法向方向，YL轴根据右手定则确定，记XL、YL、ZL轴单位向量分别为i、j、k；机床坐标系为机床本身固有坐标系，工件坐标系根据零件的几何模型与实际情况建立；根据平底刀刀具参数确定刀位点及刀轴矢量，令刀具半径为RT，刀长为L，刀位点为OTL，刀轴矢量为T；刀轴在XLPZL平面内与Z轴夹角为倾斜角β，刀轴绕ZL轴旋转角度为旋转角θ，θ∈[0,2π)；在任一刀触点P，将旋转角θ等分为n(n≥1)份，对应每份旋转角度为p＝1,2,…,n，根据二分法确定倾斜角β，迭代次数为m(m≥1)次，对应倾斜角为βq，q＝1,2,…,m，则刀轴矢量T表示为：T＝cos(θp)sin(βq)i+sin(θp)sin(βq)j+cos(βq)k(1)相应刀位点OTL表示为：将待加工自由曲面进行刀位网格划分，确定刀触点P对应刀轴矢量的待干涉检测点范围，即刀具在曲面上投影区域内网格节点；为减少计算量，将刀具投影在工件坐标系XWOWYW平面内的沿XW、YW方向最小包络矩形定为待检测点范围；在工件坐标系中，沿ZW轴方向入射光，取过刀具轴线的投影截面为刀具投影受光截面，取该截面的两个基向量，一个为刀轴矢量T，另一个为单位向量w1，考虑刀具端面影响，增加一修正单位向量w2，其中w1、w2为：修正后受光截面顶点A、B、C、D分别按公式(5)计算：修正后受光截面顶点A、B、C、D沿工件坐标系ZW轴方向在自由曲面投影的最小包络图形为待干涉检测区域，即待干涉检测区域中任意一点Q(x,y,z)，满足如下条件：其中，min()表示取最小值函数，max()表示取最大值函数，xA,xB,xC,xD与yA,yB,yC,yD分别表示点A、B、C、D在工件坐标系XWYW平面内的横、纵坐标。确定待检测点与刀具是否发生干涉，即判断待检测点Q是否在刀具内，设Q'为Q在刀轴上的投影点，投影点Q'的坐标计算为：其中，κ为Q'到刀位点OTL的距离系数；当κ＞L或κ＜-RT，则点P不会与刀具干涉，当-RT≤κ≤L，计算||QQ'||，当||QQ'||＜RT时，点Q与刀具发生干涉；若刀具与所有待检测点不发生干涉，则认为刀具与曲面不发生干涉，记录当前刀具倾斜角；计算每一旋转角θp对应的无干涉倾斜β角，则刀触点P对应刀具姿角可行域可表示为Ω(uP,vP)，即P点的单点无干涉可行域；第二步建立相邻刀触点间实际切削轨迹方程在工件坐标系中，P1、P2为两相邻刀触点，由于两个刀触点间距较小，将理想加工曲线近似为一段圆心角很小的圆弧；计算近似圆弧与实际刀具切触轨迹之间距离，设OA为圆弧圆心，RA为圆弧半径，θA为圆弧对应的圆心角；为简化计算，用P1点的曲率半径表示RA，OA落在P1、P2点中垂线上；在五轴数控机床坐标系中，设刀具在P1点处机床A、C轴旋转角度为a1、c1，刀具在P2点处机床A、C轴旋转角度为a2、c2；根据测得实际工件位置，工作台旋转矩阵Rot(a,c)表示为：在机床坐标系中，刀具在P1点处圆弧圆心矢量O1m及刀触点矢量P1m为：刀具在P2点的圆弧圆心矢量O2m及刀触点矢量P2m为：工作台以机床坐标原点为中心做线性旋转，则由a1转动至a2，c1转动至c2过程中A、C角由下式表示：则在机床坐标系下，圆弧圆心位置矢量Om(λ)表示为：Om(λ)＝Rot(a(λ),c(λ))·OA(12)在机床坐标系下，刀具保持竖直，且只做线性移动，因此切触点位置矢量Pm(λ)，即相邻刀触点间实际切削轨迹可表示为：第三步建立旋转轴角度变化与刀轴摆动误差的关联关系在多轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于摆动误差的刀具姿角无干涉可行域求解方法，其特性在于，该方法在求解单点无干涉可行域的基础上，通过分析刀具与工件切触几何关系，根据旋转轴变化建立相邻刀位点间实际切削轨迹方程；计算实际切削轨迹偏离插补轨迹的偏差即刀轴摆动误差，建立旋转轴角度变化与刀轴摆动误差的关联关系，求解相邻刀位点旋转轴角度变化范围；利用当前刀轨参数确定的后一刀位点，将其单点无干涉可行刀具姿角范围与刀轴摆动误差约束下可行刀具姿角范围进行求交，确定高精加工无干涉刀具姿角可行域；方法的具体过程如下：第一步 建立单点无干涉可行域为描述刀具实际切削轨迹，先建立坐标系统，包含局部坐标系、工件坐标系以及机床坐标系；设待加工自由曲面方程为S(u,v)，u,v分别为自由曲面方程的参数，曲面上刀具运动轨迹方程C(u(t),v(t))，轨迹上任意一刀触点P(uP,vP)，建立其局部坐标系，定义局部坐标系XL轴沿刀触点P进给方向，ZL轴沿刀触点P处曲面法向方向，YL轴根据右手定则确定，记XL、YL、ZL轴单位向量分别为i、j、k；机床坐标系为机床本身固有坐标系，工件坐标系根据零件的几何模型与实际情况建立；根据平底刀刀具参数确定刀位点及刀轴矢量，令刀具半径为RT，刀长为L，刀位点为OTL，刀轴矢量为T；刀轴在XLPZL平面内与Z轴夹角为倾斜角β，...

【技术特征摘要】
1.一种基于摆动误差的刀具姿角无干涉可行域求解方法，其特性在于，该方法在求解单点无干涉可行域的基础上，通过分析刀具与工件切触几何关系，根据旋转轴变化建立相邻刀位点间实际切削轨迹方程；计算实际切削轨迹偏离插补轨迹的偏差即刀轴摆动误差，建立旋转轴角度变化与刀轴摆动误差的关联关系，求解相邻刀位点旋转轴角度变化范围；利用当前刀轨参数确定的后一刀位点，将其单点无干涉可行刀具姿角范围与刀轴摆动误差约束下可行刀具姿角范围进行求交，确定高精加工无干涉刀具姿角可行域；方法的具体过程如下：第一步建立单点无干涉可行域为描述刀具实际切削轨迹，先建立坐标系统，包含局部坐标系、工件坐标系以及机床坐标系；设待加工自由曲面方程为S(u,v)，u,v分别为自由曲面方程的参数，曲面上刀具运动轨迹方程C(u(t),v(t))，轨迹上任意一刀触点P(uP,vP)，建立其局部坐标系，定义局部坐标系XL轴沿刀触点P进给方向，ZL轴沿刀触点P处曲面法向方向，YL轴根据右手定则确定，记XL、YL、ZL轴单位向量分别为i、j、k；机床坐标系为机床本身固有坐标系，工件坐标系根据零件的几何模型与实际情况建立；根据平底刀刀具参数确定刀位点及刀轴矢量，令刀具半径为RT，刀长为L，刀位点为OTL，刀轴矢量为T；刀轴在XLPZL平面内与Z轴夹角为倾斜角β，刀轴绕ZL轴旋转角度为旋转角θ，θ∈[0,2π)；在任一刀触点P，将旋转角θ等分为n(n≥1)份，对应每份旋转角度为p＝1,2,…,n，根据二分法确定倾斜角β，迭代次数为m(m≥1)次，对应倾斜角为βq，q＝1,2,…,m，则刀轴矢量T表示为：T＝cos(θp)sin(βq)i+sin(θp)sin(βq)j+cos(βq)k(1)相应刀位点OTL表示为：将待加工自由曲面进行刀位网格划分，确定刀触点P对应刀轴矢量的待干涉检测点范围，即刀具在曲面上投影区域内网格节点；为减少计算量，将刀具投影在工件坐标系XWOWYW平面内的沿XW、YW方向最小包络矩形定为待检测点范围；在工件坐标系中，沿ZW轴方向入射光，取过刀具轴线的投影截面为刀具投影受光截面，取该截面的两个基向量，一个为刀轴矢量T，另一个为单位向量w1，考虑刀具端面影响，增加一修正单位向量w2，其中w1、w2为：修正后受光截面顶点A、B、C、D分别按公式(5)计算：修正后受光截面顶点A、B、C、D沿工件坐标系ZW轴方向在自由曲面投影的最小包络图形为待干涉检测区域，即待干涉检测区域中任意一点Q(x,y,z)，满足如下条件：其中，min()表示取最小值函数，max()表示取最大值函数，xA,xB,xC,xD与yA,yB,yC,yD分别表示点A、B、C、D在工件坐标系XWYW平面内的横、纵坐标；确定待检测点与刀具是否发生干涉，即判断待检测点Q是否在刀具内，设Q'为Q在刀轴上的投影点，投影点Q'的坐标计算为：其中，κ为Q'到刀位点OTL的距离系数；当κ>L或κ<-RT，则点P不会与刀具干涉，当-RT≤κ≤L，计算||QQ'||，当||QQ'||<RT时，点Q与刀具发生干涉；若刀具与所有待检测点不发生干涉，则认为刀具与曲面不发生干涉，记录当前刀具倾斜角；计算每一旋转角θp对应的无干涉倾斜β角，则刀触点P对应刀具姿角可行域可表示为Ω(uP,vP)，即P点的单点无干涉可行域；第二步建立相邻刀触点间实际切削轨迹方程在工件坐标系中，P1、P2为两...

【专利技术属性】
技术研发人员：马建伟，陈思宇，贾振元，李冠霖，曲梓文，鲁晓，司立坤，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21