一种五轴加工工件摆放姿态优化方法技术

本发明专利技术属于机床加工姿态优化领域，并具体公开了一种五轴加工工件摆放姿态优化方法，包括如下步骤：提取刀具的轴线方向，并映射至单位球上，以在单位球上形成多个离散点；对单位球球面上的离散点进行三角面片化处理，以获得离散点的边界曲线B；对边界曲线B进行偏置处理，获得奇异锥曲线Cs和工作空间边界曲线Cw；构建目标函数，根据目标函数获取工件的最佳摆放姿态。本发明专利技术可有效解决五轴加工时的奇异问题，并在解决奇异问题的同时，缩短加工时间，提高加工效率，具有操作便利，适用性强等优点。

An optimization method of workpiece placement attitude in five axis machining

【技术实现步骤摘要】
一种五轴加工工件摆放姿态优化方法
本专利技术属于机床加工姿态优化领域，更具体地，涉及一种五轴加工工件摆放姿态优化方法。
技术介绍
五轴机床是在三轴机床的基础上，多了两个旋转轴，可使得刀具以任意姿态加工工件，一次装夹完成多道加工工序，从而提高加工效率和工件的表面质量，减小定位误差。然而与三轴机床相比，五轴机床却会带来非线性误差、奇异现象等缺点。如果加工工件时出现奇异现象，不仅会降低机床的进给速率，影响工件的表面加工质量，更严重的甚至划伤表面。如图1所示，工件为用一个平行于圆柱体轴线的平面截圆柱体得到的一部分，路径规划的加工路线和实际加工得到的路线分别如图1中所示，从图1中可以看出，实际加工路线与理论加工路线存在差别，其就是奇异现象划伤工件表面的情况。因此，实际加工中解决奇异问题，对五轴数控加工有十分重要的意义。针对奇异问题，目前国内外有一些解决方法：AFFOUARD.A等(AFFOUARD.A,DUC.E,LARTIGUE.C,etal.Avoiding5-axissingularitiesusingtoolpathdeformation[J].InternationalJournalofMachineToolsandManufacture,2004,44(4):415-425)通过对AC型五轴机床的运动学反解公式进行分析，从理论上说明了五轴加工时出现奇异问题的根本原因，其提出通过多项式插补修改走刀路径来避开奇异锥形区域，但存在插补算法复杂，计算量大的问题；MUNLIN.M等(MUNLIN.M,MAKHONOVS.S.,BOHEZEE.L.J.,Optimizationofrotationsofafive-axismillingmachinenearstationarypoints[J].ComputerAidedDesign,2004,36(12):1117-1128)通过选择奇异点附近旋转轴运动的最短路径来减小误差，但该方法在选择转角取值时，考虑的是相邻点转角变化量的相对值最小，而相邻点之间转角变化量的绝对值可能较大，出现这样的情况时误差仍较大，故此方法只适合在粗加工和高速加工中；王丹等(王丹,陈志同,陈五一.五轴加工中非线性误差的检测和处理方法[J].北京航空航天大学学报,2008,(09):1003-1006+1091)通过对机床旋转轴(以C轴为例)的变化量进行监测，当相邻2个刀位点C轴转角大于给定的值，即可认为非线性误差过大，在找出存在过大非线性误差的刀位点后，使用局部加密方法对这些点进行线性插值的方法进行修正，虽然能在一定程度上减少误差，但单纯采用线性插值降低了奇异区域的加工速度，且插值过密导致机床频繁加减速，容易引起刀具颤振；中科院的王峰等(王峰,林浒,郑飂默,杨富枝.五轴加工奇异区域的检测和处理[J].计算机集成制造系统,2011,(07):1435-1440)将相邻点机床各轴的运动变化量和雅克比矩阵结合起来检测奇异域，并且提出一种奇异域内加工路径优化方法来减少非线性误差，同时对仍不满足精度的区间进行递归插值处理，这种方法虽然能够有效降低误差，但改变刀轴矢量会引入欠切和过切现象，降低加工质量，且雅克比矩阵的条件数计算比较难，总体效率低。
技术实现思路
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五轴加工工件摆放姿态优化方法，其通过调整工件摆放姿态，以解决五轴加工时的奇异问题，并且在解决奇异问题的同时，可尽量缩短加工时间，提高加工效率，且也使得加工具有较好的动力学性能，具有加工效率高、操作便利，适用性强等优点。为实现上述目的，本专利技术提出了一种五轴加工工件摆放姿态优化方法，其包括如下步骤：S1提取刀具的刀轴方向，并映射至单位球上，以在单位球上形成多个离散点；S2对单位球球面上的离散点进行三角面片化处理，以获得离散点的边界曲线B；S3对边界曲线B进行偏置处理，获得奇异锥曲线Cs和工作空间边界曲线Cw；S4构建目标函数，根据目标函数获取工件的最佳摆放姿态。作为进一步优选的，所述对边界曲线B进行偏置处理获得奇异锥曲线Cs以及对边界曲线B进行偏置处理获得工作空间边界曲线Cw均包括如下步骤：a)首先将边界曲线B离散成多个点；b)然后采用如下公式分别对各个点进行偏置：[px′px′p′x1]T＝Rot(ot′，θ)[pxpypz1]T其中，(px，py，pz)为边界曲线B上待偏置点p的坐标值，(p′x，p′x，p′x)为待偏置点p经过偏置后对应的点p′的坐标值，Rot(ot′，θ)为绕向量ot′旋转的旋转矩阵，ot′为过单位球球心o的与pt平行的向量ot′，点t′为向量ot′与单位球球面的交点，pt为过点p的边界曲线B的切线，θ为偏置的角度；c)依次连接各个偏置后的点，获得所需的曲线。作为进一步优选的，所述其中，(a，b，c)为点t′的坐标值。作为进一步优选的，对边界曲线B进行偏置处理获得奇异锥曲线Cs对应的偏置角度θ为5°，对边界曲线B进行偏置处理获得工作空间边界曲线Cw对应的偏置角度θ为90°。作为进一步优选的，构建的目标函数具体为：其中，t(α，β，γ)为目标函数，(α，β，γ)为待求解的工件的最佳摆放姿态，n为刀位点的个数，Li为相邻刀位点的距离，fmax为加工过程中最大进给率，TS和TW为罚函数。作为进一步优选的，所述最大进给率fmax采用如下公式计算：其中，和为五轴机床A轴的最大角速度和最大角加速度，和为五轴机床C轴的最大角速度和最大角加速度，Li为相邻刀位点的距离，Ai为第i个刀位点的A轴转角，Ci为第i个刀位点的C轴转角。作为进一步优选的，罚函数TS具体为：其中，ps采用如下公式计算：[pS1]T＝Rot(Z，α)×Rot(X，β)×Rot(Z，γ)[0011]T其中，Rot(Z，α)为关于α角的矩阵，Rot(X，β)为关于β角的矩阵，Rot(Z，γ为关于γ角的矩阵。作为进一步优选的，罚函数TW具体为：其中，pw采用如下公式计算：[pw1]T＝Rot(Z，α)×Rot(X，β)×Rot(Z，γ)[00-11]T其中，Rot(Z，α)为关于α角的矩阵，Rot(X，β)为关于β角的矩阵，Rot(Z，γ为关于γ角的矩阵。作为进一步优选的，判断点ps是否在Cs之内以及判断点pw是否在Cw之内均采用如下方式进行：a)找到曲线Cs或Cw之外的一点p作为参考点；b)连接p与待判断点ps或pw，形成单位球大圆上的圆弧psp或pwp；c)将曲线Cs或Cw离散成圆弧线段；d)判断psp或pwp与圆弧线段是否相交，若相交，将记号变量加1，若不相交，记号变量不变；e)完成psp或pwp与所有圆弧线段是否相交的判断，获得记号变量总数；f)对记号变量总数进行奇偶数判断，当记号变量总数为偶数时，则点ps在Cs之外或点pw在Cw之外，当记号变量总数为奇数时，则点ps在Cs之内或Cs上或者点pw在Cw之内或Cw上。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术可有效解决五轴加工时的奇异问题，并且在解决奇异问题的同时，可尽量缩短加工时间，提高加工效率，且也使得加工具有较好的动力学性能，具有加工效率高、操作便利，适用性强等优点。2.本专利技术操作简单，以刀位文件作为输入，经本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种五轴加工工件摆放姿态优化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1提取刀具的刀轴方向，并映射至单位球上，以在单位球上形成多个离散点；S2对单位球球面上的离散点进行三角面片化处理，以获得离散点的边界曲线B；S3对边界曲线B进行偏置处理，获得奇异锥曲线Cs和工作空间边界曲线Cw；S4构建目标函数，根据目标函数获取工件的最佳摆放姿态。

【技术特征摘要】
1.一种五轴加工工件摆放姿态优化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1提取刀具的刀轴方向，并映射至单位球上，以在单位球上形成多个离散点；S2对单位球球面上的离散点进行三角面片化处理，以获得离散点的边界曲线B；S3对边界曲线B进行偏置处理，获得奇异锥曲线Cs和工作空间边界曲线Cw；S4构建目标函数，根据目标函数获取工件的最佳摆放姿态。2.如权利要求1所述的五轴加工工件摆放姿态优化方法，其特征在于，所述对边界曲线B进行偏置处理获得奇异锥曲线Cs以及对边界曲线B进行偏置处理获得工作空间边界曲线Cw均包括如下步骤：a)首先将边界曲线B离散成多个点；b)然后采用如下公式分别对各个点进行偏置：[p′xp′xp′x1]T＝Rot(ot′，θ)[pxpypz1]T其中，(px，py，pz)为边界曲线B上待偏置点p的坐标值，(p′x，p′x，p′x)为待偏置点p经过偏置后对应的点p′的坐标值，Rot(ot′，θ)为绕向量ot′旋转的旋转矩阵，ot′为过单位球球心o的与pt平行的向量ot′，点t′为向量ot′与单位球球面的交点，pt为过点p的边界曲线B的切线，θ为偏置的角度；c)依次连接各个偏置后的点，获得所需的曲线。3.如权利要求2所述的五轴加工工件摆放姿态优化方法，其特征在于，所述其中，(a，b，c)为点t′的坐标值。4.如权利要求2或3所述的五轴加工工件摆放姿态优化方法，其特征在于，对边界曲线B进行偏置处理获得奇异锥曲线Cs对应的偏置角度θ为5°，对边界曲线B进行偏置处理获得工作空间边界曲线Cw对应的偏置角度θ为90°。5.如权利要求1-4任一项所述的五轴加工工件摆放姿态优化方法，其特征在于，构建的目标函数具体为：其中，t(α，β，γ)为目标函数，(α，β，γ)为待求解的工件的最佳摆放姿态，n为刀位点的个数，Li为相邻刀位点的距离，fmax...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡鹏程，高晓新，陈吉红，杨建中，
申请(专利权)人：华中科技大学，武汉华中数控股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42