The global optimization method of tool vector based on the minimum angular acceleration of machine tool rotation belongs to the technical field of high-quality and efficient milling of complex curved surface parts, and relates to a global optimization method of tool vector based on the minimum angular acceleration of machine tool rotation. According to the characteristics of the surface and the tool, the method uses the equal residual height to generate the tool path, and establishes the inverse kinematics relationship of the five axis machine tool. The cutter axis vector in the workpiece coordinate system is transformed into the rotation angle value of the machine tool's rotary feed axis. The finite difference method is used to calculate the angular velocity and acceleration of the machine tool's rotary feed axis. According to the interference criterion, the feasible space of tool axis at the tool contact is calculated by C-space method, the concave convex property of tool path curve is judged, and the key tool axis vector on the tool path curve is determined. In each interval, the tool axis vector is optimized to minimize the angular acceleration. This method can effectively reduce the angular acceleration of the rotary feed axis of the machine tool in the process of machining, realize the stability of the machining process, improve the surface machining quality, and reduce the machining profile error.
【技术实现步骤摘要】
基于机床旋转轴角加速度最小的刀矢全局优化方法
本专利技术属于复杂曲面零件高质高效铣削加工
，涉及一种基于机床旋转轴角加速度最小的刀矢全局优化方法。
技术介绍
复杂曲面零件因具有更优的使用性能而广泛应用在航空航天、船舶、汽车等先进装备领域，随着高端装备领域的迅速发展，对高性能曲面零件加工的精度要求也越来越高。五轴机床因具有更灵活的刀具运动空间而广泛应用在复杂曲面加工中，但相比于三轴机床，五轴机床增加了两个旋转自由度，使加工过程中刀轴方向的控制更加困难。在复杂曲面加工过程中，刀轴矢量规划不合理会影响曲面加工质量，尤其是曲面曲率变化较大位置，极易造成相邻刀轴矢量之间夹角过大的问题。当进给速度较大时，使机床旋转进给轴角速度激增，极易超出机床约束，从而影响加工平稳性，使加工表面产生振痕。为了避免上述问题的发生，最常见的方法是降低刀具进给速度，使刀具经过相邻刀触点的时间增加，因此旋转进给轴角速度和角加速度会随之降低，但该方法会影响加工效率。另一种方法是在不影响加工效率的前提下，以加工刀具轨迹为基础，进一步优化刀轴矢量，使相邻刀触点的刀轴矢量光顺。耿聪等人的文献“五轴联动刀轴矢量平滑插补算法”，机械工程学报，2013，49(3)，180-185，依据刀具姿态曲线的二阶连续性提出了一种能够保证加工中旋转轴速度、加速度连续的刀轴矢量平滑插补算法，但文中刀轴矢量插补算法并没有考虑刀轴矢量光顺性。马建伟等人的专利“基于机床旋转进给轴运动学特性的刀轴矢量光顺方法”，专利公开号CN201810100426.2。该专利通过选择刀轴...
【技术保护点】
1.一种基于机床旋转轴角加速度最小的刀矢全局优化方法，其特征在于，该方法根据曲面几何特征以及刀具特征，利用等残余高度法生成曲面加工刀具轨迹；建立五轴机床逆运动学变换关系，将工件坐标系下的刀轴矢量转换为机床旋转进给轴的转角值，利用有限差分法计算机床旋转进给轴角速度和角加速度；依据干涉判断准则，借助C空间方法计算刀触点处刀轴可行空间，然后判断刀轨曲线的凹凸性，以此划分刀轨曲线区间，并确定刀轨曲线上关键刀轴矢量；最后，在刀轨各个区间内以角加速度最小为目标优化刀轴矢量，对相邻区间段衔接位置处刀轴矢量进行调整，确保整条刀轨上刀轴矢量平滑光顺；/n方法的具体步骤如下：/n步骤1：基于等残留高度法生成加工刀具轨迹/n取复杂曲面为S(u,v)，曲面上刀具轨迹曲线为r(ξ)，根据曲面几何特征，计算曲面的单位法向量N与刀轨曲线单位切向量T的几何信息如下/n
【技术特征摘要】
1.一种基于机床旋转轴角加速度最小的刀矢全局优化方法，其特征在于，该方法根据曲面几何特征以及刀具特征，利用等残余高度法生成曲面加工刀具轨迹；建立五轴机床逆运动学变换关系，将工件坐标系下的刀轴矢量转换为机床旋转进给轴的转角值，利用有限差分法计算机床旋转进给轴角速度和角加速度；依据干涉判断准则，借助C空间方法计算刀触点处刀轴可行空间，然后判断刀轨曲线的凹凸性，以此划分刀轨曲线区间，并确定刀轨曲线上关键刀轴矢量；最后，在刀轨各个区间内以角加速度最小为目标优化刀轴矢量，对相邻区间段衔接位置处刀轴矢量进行调整，确保整条刀轨上刀轴矢量平滑光顺；
方法的具体步骤如下：
步骤1：基于等残留高度法生成加工刀具轨迹
取复杂曲面为S(u,v)，曲面上刀具轨迹曲线为r(ξ)，根据曲面几何特征，计算曲面的单位法向量N与刀轨曲线单位切向量T的几何信息如下
式中，Su(u,v)和Sv(u,v)是曲面的一阶偏导数，r′(ξ)为刀轨曲线一阶导数；
曲面S(u,v)沿刀轨曲线r(ξ)的加工刀触点坐标为PC，以刀触点PC为原点，分别以刀轨曲线单位切向量T为XL轴，单位法向量N为ZL轴以及两者叉积K为YL轴，建立局部坐标系PCXLYLZL；根据球头刀加工特点，结合曲面特征计算刀触点与刀尖点之间的关系
PC＝P+R·V-R·N(2)
式中，R为球头刀刀具半径，P为刀尖点坐标，V为单位刀轴矢量；
以球头刀为加工刀具，采用等残留高度方法生成刀轨r(ξ)的行距，对于平面而言，根据行距与残余高度之间的关系，设定残余高度h后，相应的行距计算公式为
式中，L表示两相邻刀轨之间的行距，R表示球头刀刀具半径；
若加工曲面为一个凸曲面，假设曲面曲率半径为ρ，则残余高度与行距之间的关系计算如下
通常情况下，残余高度h<<ρ，于是上式简化为：
若加工曲面为凹曲面，曲面曲率半径为ρ，残余高度与行距之间的关系如下：
因此，凹曲面行距计算公式可简化为：
对于加工曲面上一条刀轨，合理设定弦高误差ε，结合曲线曲率特征，走刀步长LS可以根据公式(8)计算：
根据行距与走刀步长计算公式(3)-(8)，计算出曲面S(u,v)上刀触点坐标PC，根据局部坐标系PCXLYLZL的单位向量[0,0,1]，给定前倾角α和倾斜角β，从而得到刀轴矢量在局部坐标系下的表示形式为
式中，表示局部坐标系下刀轴矢量，Rot(N,β)和Rot(K,α)表示绕N轴和K轴的旋转矩阵；
步骤2：坐标系变换与机床逆运动学变换
借助CAM软件得到曲面加工刀位文件，其中包括工件坐标系下刀尖点坐标P[x,y,z]T以及刀轴矢量V[i*,j*,k*]T；根据AC双转台数控机床结构特点，工件坐标系下刀轴矢量V＝[i*j*k*0]T可由机床坐标系下单位向量VM＝[0010]T通过正向运动学绕A轴和C轴旋转得到，公式(10)为：
V＝Rot(Z,θC)·Rot(X,θA)·VM(10)
式中，θA和θC分别表示单位向量VM绕机床A轴和C轴旋转的角度，机床坐标系变换到工件坐标系下的旋转矩阵表示为：
从公式(11)得到工件坐标系下刀轴矢量为：
由公式(11)-(12)建立刀轴矢量在机床坐标系与工件坐标系之间的逆运动学转换关系为：
由公式(13)将工件坐标系下优化后的刀轴矢量序列optV＝{optV1,…,optVn}转换到机床坐标系下，得到优化后刀轴矢量在机床坐标系下的机床转角值...
【专利技术属性】
技术研发人员：马建伟，胡国庆，贾振元，秦逢泽，曲梓文，李冠霖，王福吉，刘巍，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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