一种基于运动旋量的五轴加工刀具包络面计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于运动旋量的五轴加工刀具包络面计算方法，属于铣削加工制造领域，包括：将刀具的空间运动分解为刀具以固定倾角沿刀路曲线所作的进给运动和刀具的倾角变化引起的姿态变动，利用Frenet标架对进给运动和姿态变动建模；基于进给运动和姿态变动的建模结果，对刀具的运动旋量进行建模，得到刀刃微元Q在刀具坐标系(TCS)下的运动旋量[V

【技术实现步骤摘要】
一种基于运动旋量的五轴加工刀具包络面计算方法


[0001]本专利技术属于铣削加工制造领域，更具体地，涉及一种基于运动旋量的五轴加工刀具包络面计算方法。

技术介绍

[0002]刀具运动包络面的精确求解是切削仿真理论的关键基础技术之一，可以将其应用于碰撞干涉检测、行距步距优化、刀具路径规划和工件表面更新等方面的工作。
[0003]为了对五轴加工刀具运动包络面进行求解，常用的方法主要是数值法和解析法。数值法主要包括扫掠微分方程法、隐式建模方法、包络理论法、雅可比降秩法等，这些方法需要求解复杂的微分方程，计算量很大。解析法可以快速求解刀具运动包络面，求解精度较高，但理论推导公式复杂，有学者采用双参数球族包络理论，可以快速解析得到侧铣加工刀具的运动包络面，但同样存在理论推导公式复杂的问题。
[0004]此外，在相关研究中刀具运动包络面的求解只针对特定的工况，对于刀路弯扭或刀具姿态变化程度较大工况下刀具运动包络面的求解还有待深入研究。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于运动旋量的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于运动旋量的五轴加工刀具包络面计算方法，其特征在于，包括：将所述刀具的空间运动分解为刀具以固定倾角沿刀路曲线所作的进给运动和刀具的倾角变化引起的姿态变动，利用Frenet标架对所述进给运动和所述姿态变动建模，得到进给坐标系中刀刃微元Q在t
i
时刻由于进给运动产生的第一瞬时速度和由于姿态变动产生的第二瞬时速度，将所述第一瞬时速度和所述第二瞬时速度之和作为进给坐标系中刀刃微元Q在运动旋量[V
F
]作用下的第三瞬时速度v
F
；计算进给坐标系中所述刀刃微元Q在所述运动旋量[V
F
]作用下的角速度ω
F
，从而得到所述刀具在进给坐标系中的运动旋量[V
F
]为[V
F
]＝(v
F
,ω
F
)；将所述运动旋量[V
F
]变换至刀具坐标系下，得到所述刀刃微元Q在刀具坐标系下的运动旋量[V
T
]；在t∈[t
i
,t
i+1
]的情况下，计算刀具坐标系中刀刃微元Q在所述运动旋量[V
T
]的作用下经历时间t后所移动到的位置点坐标，以计算所述刀具在t
i
～t
i+1
时间段内做旋量运动的包络面，将其离散化，得到刀具坐标系中所述刀具在t
i
～t
i+1
时间段内的包络面点簇并将包络面点簇转换至工件坐标系中，得到工件坐标系统中所述刀具在t
i
～t
i+1
时间段内的包络面点簇Π
i(WCS)
；将工件坐标系中所述刀具在各时间段内的包络面点簇集合起来，得到所述刀具在整条道路曲线上的完整包络面。2.如权利要求1所述的基于运动旋量的五轴加工刀具包络面计算方法，其特征在于，进给坐标系中刀刃微元Q在t
i
时刻由于进给运动产生的第一瞬时速度为：其中，v
f
为所述刀具的进给速率；K
i
和τ
i
分别表示刀路曲线在t
i
时刻的曲率和挠率；θ
i
表示Z
F(i)
轴绕α
i
旋转至γ
i
所历经的角度，α
i
和γ
i
分别表示所述刀路曲线在O
F(i)
点的切矢和副法矢，O
F(i)
为t
i
时刻的刀触点，sθ
i
和cθ
i
分别表示sinθ
i
和cosθ
i
，表示的θ
i
变化率；(x
F
,y
F
,z
F
,1)为刀刃微元Q在FCS
(i)
中的坐标，FCS
(i)
为O
F(i)
处的进给坐标系，Z
F(i)
表示进给坐标系FCS
(i)
的坐标轴。3.如权利要求2所述的基于运动旋量的五轴加工刀具包络面计算方法，其特征在于，利用Frenet标架对所述进给运动建模，包括：分别获得所述刀路曲线在所述刀触点O
F(i)
处的径矢r
i
、切矢α
i
、主法矢β
i
和副法矢γ
i
，以及所述刀路曲线在刀触点O
F(i+1)
处的径矢r
i+1
、切矢α
i+1
、主法矢β
i+1
和副法矢γ
i+1
，分别构成Frenet标架{r
i
；α
i
,β
i
,γ
i
}和Frenet标架{r
i+1
；α
i+1
,β
i+1
,γ
i+1
}；O
F(i)
和O
F(i+1)
是刀路曲线上相邻的点，且分别是相邻的t
i
时刻和t
i+1
时刻的刀触点；构成Frenet标架的相关矢量满足如下Frenet公式：
其中，r、α、β、γ、K和τ分别表示同一刀触点处的径矢、切矢、主法矢、副法矢，以及刀路曲线的曲率和挠率；利用Frenet标架{r
i
；α
i
,β
i
,γ
i
}和Frenet标架{r
i+1
；α
i+1
,β
i+1
,γ
i+1
}分别构建笛卡尔坐标系Fra
(i)
和Fra
(i+1)
；结合Frenet公式将刀路曲线在O
F(i)
点进行Taylor展开后表示为矩阵形式，并进行其次坐标变换，得到笛卡尔坐标系Fra
(i+1)
到Fra
(i)
的齐次坐标变换矩阵为：其中，a
11
～a
14
、a
21
～a
24
、a
31
～a
34
均为含有K
i
、τ
i
和Δd的表达式，Δd表示刀刃微元Q从t
i
时刻到t
i+1
时刻的弧长；在刀触点O
F(i)
和O
F(i+1)
处分别建立进给坐标系FCS
(i)
和FCS
(i+1)
；X
F(i)
、Y
F(i)
和Z
F(i)
分别表示进给坐标系FCS
(i)
的坐标轴，X
F(i)
轴与α
i
重合，Z
F(i)
轴表示设计表面在O
F(i)
点处的刀具侧单位法矢；X
F(i+1)
、Y
F(i+1)
和Z
F(i+1)
分别表示进给坐标系FCS
(i+1)
的坐标轴，X
F(i+1)
轴与α
i+1
重合，Z
F(i+1)
轴表示设计表面在O
F(i+1)
点处的刀具侧单位法矢；根据所建立的进给坐标系FCS
(i)
...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫蓉，彭芳瑜，吴嘉伟，孙朝阳，唐小卫，朱泽润，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：