鼓型刀具多坐标宽行加工的刀位优化方法技术

本发明专利技术公开了一种鼓型刀具多坐标宽行加工的刀位优化方法，先将鼓型刀具根据其加工方式离散成一组足够密集的纬线，通过计算每条纬线到加工设计曲面上的最短距离得到误差分布函数，基于该误差分布函数建立行宽的计算方法和刀位无干涉需要满足的约束条件，从而构造出刀位优化模型。为了避免利用切触点定位刀具所需要的后续调整，在工件上选定一个刀位控制点，在该点外法线上确定一个位于编程公差带内的点与刀具上的一个选定点相连接以确定刀具和工件的相对初始位置。本发明专利技术的刀位优化方法还可以与切削过程的其它约束条件结合起来，如最大切削力、最大切削功率、表面粗糙度、加工变形量、加速度变化范围、机床的运动参数范围等约束条件。本发明专利技术的特征还在于建立了一种光顺方法对刀位进行光顺处理。

Tool position optimization method for drum type tool with multi coordinate and wide line machining

The invention discloses a drum type tool coordinate line width processing tool position optimization method, the drum type cutter according to the processing method of discrete into a set of dense enough latitude, through the error distribution function to calculate each weft to processing design on the surface of the shortest distance, the error distribution function is established and calculation method the knife line width without interference based on constraints need to meet, so as to construct the cutter location optimization model. In order to avoid subsequent adjustment needed by cutting contact positioning tool, select a tool control point on the workpiece, the outer normal in a certain one is programming the tolerance band and the point on the tool point connected to determine the relative initial position of cutter and workpiece. Other constraints the tool position optimization method can also process and cutting together, such as constraint conditions, the maximum cutting force of cutting power, surface roughness, deformation, acceleration range, the movement of the machine parameters etc.. The invention is also characterized in that a smoothing method is adopted to carry out the smoothing process of the tool position.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种适用于多坐标数控机床加工过程的刀具位置和运动轨迹优化的方法，采用纬线分划进行鼓型刀具位置和姿态优化的方法可以用于精确控制加工误差、大幅度提高加工效率和显著降低编程难度和工件制造成本。
技术介绍
在用球头刀加工柱状工件曲面时，如果刀具的曲率半径与工件曲面上任意一点的某方向曲率半径大小相等、凹凸相反，则可以一次性在工件曲面上加工出很宽的加工区域，该区域的有效宽度称为行宽。理论上，曲面加工的行宽应该利用曲线长度度量，但是在通常情况下，加工区域的法矢量都不会超过180度，因此利用该区域的横截线的弦长表示更加简单。如果增加工件的曲率半径和球头刀的曲率半径的差，那么在公差带范围内能够加工出的行宽会逐渐减小，因此，在曲面加工时要提高加工效率应该使刀具的曲率半径尽可能接近工件的曲率半径，这种曲率很接近的状态称为曲率吻合。但是，一般曲面工件上的不同点、同一点的不同方向的曲率半径是不同的，采用具有单一曲率的球头刀不能实现与所有点的曲率吻合。鼓型和环面刀具或磨具等复杂刀具工作面上不同点和同一点不同方向的两个主曲率是变化的，一把复杂刀具可以看成无数把球头刀具的组合。如果妥善设计复杂刀具并使其曲率半径的变化范围基本覆盖被加工曲面上各点的曲率变化范围，那么就可以通过调整刀具和工件的相对位置和姿态使得二者在公差带内尽可能大的范围实现良好的曲率吻合，从而获得尽可能大的行宽。在国外，斯图加特大学最早(1976年)定性研究了不同刀具加工复杂曲面的误差分布规律，waterloo大学先后提出主曲率匹配法、多点法、滚球法和AIM算法等多种提高行宽的计算方法，其中多点法假设刀具和工件具有两个以上接触点，在多数时候具有正确性，并可以在较大范围研究曲面和工具的吻合情况，因此可以获得很大的加工行宽；瑞士Starrag公司在此基础上申请了2项专利(US6,485,236)、(EP1040396)，这两份专利介绍了一种利用Hermite多项式来近似表达w型误差曲线的刀位优化方法，这样可以只要计算中间点的误差就可以对全部误差分布函数进行估计，因此可以显著提高误差分布函数的计算效率。这些方法的共同不足是1)利用刀具和工件在一点切触来优化刀位，不利于后期的刀轨等波高排列；2)没有将刀位优化和干涉检查统一到一个模型，需要后续的迭代调整计算；3)利用切触点计算的方法容易导致误差放大和刀轨波动，甚至出现不收敛；4)不能用于解决鼓形刀的刀位优化问题。在国内，张洪等(1982年)观察到了基于局域曲率吻合原则进行刀位计算的不足，提出应在刀具和工件接触的全范围内讨论曲率分布问题，即宏域曲率吻合原则问题，赵宗平等(1990年)曾提出利用鼓形刀横截面同时截取刀具和工件以得到两条截形线族的误差分析方法，并试图解决鼓形磨具磨削叶轮的刀位可视化问题。这种方法希望利用化整为零的方法直接度量加工误差的大小，但是所采用的具体方法具有理论误差。倪炎榕等(2001年)提出通过计算刀具和工件之间的误差分布实现“宽行加工刀位优化”的基本思想，吕雪丽等(2003年)进一步提出了刀具-工件“最短距离线对”(Minimum Distance Line-pair)概念，金曼等(2006年)提出双端点误差控制算法，利用有效特征线段的两个端点定位刀具，解决了刀轨的排列问题，但是该算法采用的是反函数，不能和常规优化方法结合，不利于融合切削过程所需要的其它约束条件，也不利于向非环面刀扩展。为了解决上述方法中存在的问题，本专利技术根据鼓形刀具加工曲面时特征线与纬线的相交性提出了将刀具表面用纬线分划求解特征线和获得刀具的位姿的方法。
技术实现思路
本专利技术是一种，有下列优化步骤(一)在工件设计曲面上选择工件第一参考点RPS1，在工件第一参考点RPS1上建立工件第一坐标系Ss1(xs1-ys1-zs1)；再在该点外法线方向上拾取工件第二参考点RPS2，并在工件第二参考点RPS2上建立工件第二坐标系Ss2(xs2-ys2-zs2)，且工件第一坐标系Ss1与工件第二坐标系Ss2平行；将工件第二坐标系SS2绕zS2轴逆时针转动γ角得到工件第三坐标系Ss3(xs3-ys3-zs3)坐标系，将工件第三坐标系绕ys3轴逆时针转动β角得到工件第四坐标系Ss4(xs4-ys4-zs4)坐标系，将工件第四坐标系绕xs4轴逆时针转动α角得到工件第五坐标系Ss5(xs5-ys5-zs5)坐标系； (二)在刀具的参考母线上拾取一点作为刀具上的第二参考点RPT2，且以刀具第二参考点RPT2为原点建立刀具第二坐标系St2(Xt2-yt2-zt2)；(三)将依据步骤(一)得到的工件第五坐标系和依据步骤(二)得到的刀具第二坐标系重合实现刀具在工件上的定位，此时刀具在工件上的刀位为H(s2，α，β，γ)，式中，s2表示工件第二参考点RPS2在刀具母线上的曲线坐标；(四)用一组垂直刀具轴线的平面将刀具截成一组纬线圆，求取各条纬线到工件设计曲面上距离最短的点作为特征点CPk以及各特征点CPk在工件设计曲面上的垂足点FPk，连接各特征点CPk形成特征线CL，连接各垂足点FPk形成垂足线FL；特征点CPk与垂足点FPk之的垂直距离为加工误差δ，从工件第一参考点到垂足线上其它垂足点的有向距离为w，则得到特征线CL上的特征点CPk的加工误差分布函数为δ＝δ(w，H)；(五)从工件第二参考点RPS2出发分别拾取在加工误差分布函数δ＝δ(w，H)曲线上左面的第一个满足加工误差δ＝Δ的点作为左端点A，其中Δ表示控制公差，同理得到该曲线右边的第一个满足加工误差δ＝Δ的点作为右端点B；根据左端点A、右端点B所对应的刀具上的特征点的垂足之间的距离获取理论行宽wm和实际行宽wr，因此得到实际行宽函数wr＝wr(H)；(六)依据步骤(五)中得到的实际行宽函数wr＝wr(H)按照宽行加工刀位优化模型Wr*=maxH∈DWr(H)]]>求得一个使实际行宽wr达到最大值时的刀位H*作为最优刀位，式中，D为δ＞0的H的可行域。(七)在工件设计曲面上选择一条曲线作为导动线，将该导动线离散成具有一定间隔d的点，并依次将它们作为工件上的第一参考点计算出各点处的最优刀位；将各刀位处的FPA，FPB，FPG分别连接形成LFPA，LFPB，LFPG线；当自左向右逐行加工曲面时可根据本行刀轨上的LFPB线的最窄处确定本行刀轨的实效右边界LFPF，否则根据LFPA的最窄处确定本行刀轨的实效左边界LFPE。本专利技术鼓型刀具多坐标周铣加工刀位优化方法的优点在于(1)利用周铣加工时瞬时接触线或特征线与纬线的相交性提出了将刀具表面用纬线分划求解特征线的方法，这种方法避免了其它近似方法带来的误差、局部曲率吻合方法对行宽最大化的制约和通过求刀具运动包络所需要的大量求交计算； (2)可通过将特征线分解成切削区特征线和非切削区特征线将刀具的全局干涉检查、局部干涉检查和刀位优化统一在一个模型中，避免了其它方法所需要的人为调整工作，增加了编程自动化程度；(3)利用有效特征线段的端点定位刀具可以直接实现行与行之间相邻刀位的等波高排列，可以最大限度提高加工效率、避免了其它采用切触点定位刀具时由于不知道行宽所导致的需要人为估计切触点的问题、将刀位优化问题和刀轨优化问题统一起来本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种鼓型刀具多坐标宽行加工的刀位优化方法，其特征在于有下列优化步骤：（一）在工件设计曲面上选择工件第一参考点ＲＰＳ↓［１］，在工件第一参考点ＲＰＳ↓［１］上建立工件第一坐标系Ｓ↓［ｓ１］（ｘ↓［ｓ１］－ｙ↓［ｓ１］－ｚ↓［ｓ１］）； 再在该点外法线方向上拾取工件第二参考点ＲＰＳ↓［２］，并在工件第二参考点ＲＰＳ↓［２］上建立工件第二坐标系Ｓ↓［ｓ２］（ｘ↓［ｓ２］－ｙ↓［ｓ２］－ｚ↓［ｓ２］），且工件第一坐标系Ｓ↓［ｓ１］与工件第二坐标系Ｓ↓［ｓ２］平行；将工件第二坐标系Ｓ↓［ｓ２］绕ｚ↓［ｓ２］轴逆时针转动γ角得到工件第三坐标系Ｓ↓［ｓ３］（ｘ↓［ｓ３］－ｙ↓［ｓ３］－ｚ↓［ｓ３］）坐标系，将工件第三坐标系绕ｙ↓［ｓ３］轴逆时针转动β角得到工件第四坐标系Ｓ↓［ｓ４］（ｘ↓［ｓ４］－ｙ↓［ｓ４］－ｚ↓［ｓ４］）坐标系，将工件第四坐标系绕ｘ↓［ｓ４］轴逆时针转动α角得到工件第五坐标系Ｓ↓［ｓ５］（ｘ↓［ｓ５］－ｙ↓［ｓ５］－ｚ↓［ｓ５］）坐标系；（二）在刀具的参考母线上拾取一点作为刀具上的第二参考点ＲＰＴ↓［２］，且以刀具第二参考点Ｒ ＰＴ↓［２］为原点建立刀具第二坐标系Ｓ↓［ｔ２］（ｘ↓［ｔ２］－ｙ↓［ｔ２］－ｚ↓［ｔ２］）；（三）将依据步骤（一）得到的工件第五坐标系和依据步骤（二）得到的刀具第二坐标系重合实现刀具在工件上的定位，此时刀具在工件上的刀位为Ｈ（ｓ↓ ［２］，α，β，γ），式中，ｓ↓［２］表示工件第二参考点ＲＰＳ↓［２］在刀具母线上的曲线坐标；（四）用一组垂直刀具轴线的平面将刀具截成一组纬线圆，求取各条纬线到工件设计曲面上距离最短的点作为特征点ＣＰ↓［ｋ］以及各特征点ＣＰ↓［ｋ］ 在工件设计曲面上的垂足点ＦＰ↓［ｋ］，连接各特征点ＣＰ↓［ｋ］形成特征线ＣＬ，连接各垂足点ＦＰ↓［ｋ］形成垂足线ＦＬ；特征点ＣＰ↓［ｋ］与垂足点ＦＰ↓［ｋ］之的垂直距离为加工误差δ，从工件第一参考点到垂足线上其它垂足点的有向距离为ｗ，则得到特征线ＣＬ上的特征点ＣＰ↓［ｋ］的加工误差分布函数为δ＝δ（ｗ，Ｈ）；（五）从工件第二参考点ＲＰＳ↓［２］出发分别拾取在加工误差分布函数δ＝δ（ｗ，Ｈ）曲线上左面的第一个满足加工误差δ＝△的点作为左端点Ａ，其中△表示控制公差，同理得 到该曲线右边的第一个满足加工误差δ＝△的点作为右端点Ｂ；根据左端点Ａ、右端点Ｂ所对应的刀具上的特征点的垂足之间的距离获取理论行...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志同，张洪，陈五一，张俐，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]