五轴数控车床无干涉加工位姿优化方法技术

本发明专利技术公开了一种五轴数控车床无干涉加工位姿优化方法，包括如下步骤：步骤一：得到包络待加工工件的螺旋刀触点位置坐标，计算各个刀触点处周向截面曲线对应的斜率；步骤二：建立五轴加工中刀触点对应的截面曲线斜率分别与刀轴正向极限摆角和刀轴负向极限摆角之间的关系，确定刀轴正向摆角可行区间a和刀轴负向摆角可行区间b，确定无全局/局部干涉的刀轴矢量可达区域c；步骤三：以旋转轴B轴平滑过渡为优化目标，对刀轴矢量进行光顺化处理，得到五轴数控车床无干涉加工位姿优化序列；步骤四：考虑刀杆结构特点确定机床坐标系中的坐标原点，根据五轴联动过程，分析各轴位置与运动变换矩阵，对刀触点和刀轴矢量进行后处理得到可被机床识别的G代码。可被机床识别的G代码。可被机床识别的G代码。

【技术实现步骤摘要】
五轴数控车床无干涉加工位姿优化方法


[0001]本专利技术属于机械加工
，具体的为一种五轴数控车床无干涉加工位姿优化方法。

技术介绍

[0002]具有复杂面形结构的曲面零件在航空航天、医疗设备等领域应用越来越广，为确保复杂曲面加工的可行性与精确性，一般要求机床具有多自由度。传统的车削加工是利用工件的旋转运动和车刀的直线运动进行切削加工，其加工路径是基于回转曲面的截面曲线生成，车刀相对于工件的运动轨迹是一条螺旋线，即在工件的同一横截面位置，车刀的位置是固定不变的。对于五轴车床，在传统车床的基础上添加了旋转轴B轴和直线轴Y轴，虽然增加了刀轴的灵活性，但同时增加了刀轴矢量的控制难度，极易产生局部/全局干涉问题。因此，研究五轴车床加工位姿优化方法，对实现复杂曲面类零件的精密顺滑加工，推动高端数控设备的发展具有重要意义。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种五轴数控车床无干涉加工位姿优化方法，综合考虑待加工工件形状和与加工路径轨迹，生成无全局/局部干涉的五轴车削加工路径，提高车削加工质量。
[0004]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]一种五轴数控车床无干涉加工位姿优化方法，包括如下步骤：
[0006]步骤一：基于螺旋投影驱动原理，得到包络待加工工件的螺旋刀触点位置坐标，计算路径轨迹中各个刀触点处周向截面曲线对应的斜率；
[0007]步骤二：考虑五轴车床旋转轴B轴驱动刀轴摆动的特性：建立五轴加工中刀触点对应的截面曲线斜率分别与刀轴正向极限摆角和刀轴负向极限摆角之间的关系，确定刀轴正向摆角可行区间a和刀轴负向摆角可行区间b；结合区间a与区间b，确定无全局/局部干涉的刀轴矢量可达区域c；
[0008]步骤三：以旋转轴B轴平滑过渡为优化目标，对刀轴矢量进行光顺化处理，得到五轴数控车床无干涉加工位姿优化序列；
[0009]步骤四：考虑刀杆结构特点确定机床坐标系中的坐标原点，根据五轴联动过程，分析各轴位置与运动变换矩阵，对刀触点和刀轴矢量进行后处理得到可被机床识别的G代码。
[0010]进一步，所述步骤一中，计算路径轨迹中各个刀触点处周向截面曲线对应的斜率的方法为：
[0011]基于螺旋投影驱动原理，将阿基米德螺旋线投影到待加工工件表面，得到包络待加工工件的螺旋刀触点位置坐标(x
f
,y
f
,z
f
)，其中f＝0,1,
…
,n，n为全路径中刀触点总数；
[0012]构建同时经过刀触点(x
f
,y
f
,z
f
)且垂直于工件轴线的平面方程G(x
f
,y
f
,z
f
)，得到该平面与工件曲面F(x
f
,y
f
,z
f
)相交而成的截面曲线，求解得到各个刀触点在周向截面曲线
上对应的斜率k
f
。
[0013]进一步，所述步骤二中，确定刀轴正向摆角可行区间a的方法为：
[0014]针对刀触点i，基于已选择的刀具前角γ，对刀具前刀面进行局部干涉判断，确定五轴加工中刀触点i处刀轴正向极限摆角α
i
：
[0015]α
i
＝γ
[0016]考虑已选择的刀具刀柄形状尺寸D，对刀具前刀面进行全局干涉判断，建立五轴加工中除刀触点i外的任意刀触点j对应的截面曲线斜率k
j
与刀轴正向极限摆角α
j
之间的关系：
[0017][0018]其中，L1为刀触点i与刀触点j之间的距离；ε1为向量与刀触点i刀轴矢量之间的夹角；η为刀触点i处法线与水平直线间的夹角；(x
i
,y
i
,z
i
)为刀触点i的坐标；(x
j
,y
j
,z
j
)为刀触点j的坐标；j≠i；
[0019]得到无碰撞干涉的刀轴正向极限摆角α
j
：
[0020][0021]求解除刀触点i外其他所有刀触点的刀轴正向极限摆角，得到在刀触点i处无局部过切干涉和全局碰撞干涉的刀轴正向摆角可行区间a
i
：
[0022]a
i
＝(0,α1)∩(0,α2)∩
…
∩(0,α
n
)
[0023]依次求解所有刀触点的刀轴正向摆角可行区间，得到刀轴正向摆角可行区间a：
[0024]a＝[a1,a2…
,a
n
‑1,a
n
]。
[0025]进一步，所述步骤二中，确定刀轴正向摆角可行区间b的方法为：
[0026]针对刀触点i，基于已选择的刀具后角μ，对后刀面进行局部干涉判断，确定五轴加工中刀触点i处刀轴负向极限摆角β
i
：
[0027]β
i
＝μ
[0028]基于已选择的刀具刀柄形状尺寸D，对后刀面进行全局干涉判断，建立五轴加工中除刀触点i外的任意刀触点m对应的截面曲线斜率k
m
与刀轴负向极限摆角β
m
之间的关系：
[0029][0030]其中，L2为刀触点i与刀触点m之间的距离，ε2为向量与刀触点i刀轴矢量之间的夹角，η为刀触点i处法线与水平直线间的夹角；(x
i
,y
i
,z
i
)为刀触点i的坐标；(x
m
,y
m
,z
m
)为刀触点m的坐标；m≠i；
[0031]得到无碰撞干涉的刀轴正向极限摆角β
m
：
[0032][0033]求解除刀触点i外其他所有刀触点的刀轴负向极限摆角，得到在刀触点i处无局部过切干涉和全局碰撞干涉的刀轴负向摆角可行区间b
i
：
[0034]b
i
＝(0,β1)∩(0,β2)∩
…
∩(0,β
n
)
[0035]依次求解所有刀触点的刀轴负向摆角可行区间，得到刀轴负向摆角可行区间b：
[0036]b＝[b1,b2…
,b
n
‑1,b
n
]。
[0037]进一步，所述步骤二中，结合刀轴正向摆角可行区间a与刀轴负向摆角可行区间b，得到刀轴可行域区间c：
[0038]c＝a∪b。
[0039]进一步，所述步骤三中，得到五轴数控车床无干涉加工位姿优化序列的方法为：
[0040]31)根据极限理论，当相邻两个刀触点之间的距离很短时，假定进给率恒定不变；
[0041]32)全路径无干涉光顺刀轴矢量摆动角度求解方程为：
[0042][0043]其中，Q为目标函数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种五轴数控车床无干涉加工位姿优化方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：基于螺旋投影驱动原理，得到包络待加工工件的螺旋刀触点位置坐标，计算路径轨迹中各个刀触点处周向截面曲线对应的斜率；步骤二：考虑五轴车床旋转轴B轴驱动刀轴摆动的特性：建立五轴加工中刀触点对应的截面曲线斜率分别与刀轴正向极限摆角和刀轴负向极限摆角之间的关系，确定刀轴正向摆角可行区间a和刀轴负向摆角可行区间b；结合区间a与区间b，确定无全局/局部干涉的刀轴矢量可达区域c；步骤三：以旋转轴B轴平滑过渡为优化目标，对刀轴矢量进行光顺化处理，得到五轴数控车床无干涉加工位姿优化序列；步骤四：考虑刀杆结构特点确定机床坐标系中的坐标原点，根据五轴联动过程，分析各轴位置与运动变换矩阵，对刀触点和刀轴矢量进行后处理得到可被机床识别的G代码。2.根据权利要求1所述的五轴数控车床无干涉加工位姿优化方法，其特征在于：所述步骤一中，计算路径轨迹中各个刀触点处周向截面曲线对应的斜率的方法为：基于螺旋投影驱动原理，将阿基米德螺旋线投影到待加工工件表面，得到包络待加工工件的螺旋刀触点位置坐标(x
f
,y
f
,z
f
)，其中f＝0,1,
…
,n，n为全路径中刀触点总数；构建同时经过刀触点(x
f
,y
f
,z
f
)且垂直于工件轴线的平面方程G(x
f
,y
f
,z
f
)，得到该平面与工件曲面F(x
f
,y
f
,z
f
)相交而成的截面曲线，求解得到各个刀触点在周向截面曲线上对应的斜率k
f
。3.根据权利要求1所述的五轴数控车床无干涉加工位姿优化方法，其特征在于：所述步骤二中，确定刀轴正向摆角可行区间a的方法为：针对刀触点i，基于已选择的刀具前角γ，对刀具前刀面进行局部干涉判断，确定五轴加工中刀触点i处刀轴正向极限摆角α
i
：α
i
＝γ考虑已选择的刀具刀柄形状尺寸D，对刀具前刀面进行全局干涉判断，建立五轴加工中除刀触点i外的任意刀触点j对应的截面曲线斜率k
j
与刀轴正向极限摆角α
j
之间的关系：其中，L1为刀触点i与刀触点j之间的距离；ε1为向量与刀触点i刀轴矢量之间的夹角；η为刀触点i处法线与水平直线间的夹角；(x
i
,y
i
,z
i
)为刀触点i的坐标；(x
j
,y
j
,z
j
)为刀触点j的坐标；j≠i；得到无碰撞干涉的刀轴正向极限摆角α
j
：
求解除刀触点i外其他所有刀触点的刀轴正向极限摆角，得到在刀触点i处无局部过切干涉和全局碰撞干涉的刀轴正向摆角可行区间a
i
：a
i
＝(0,α1)∩(0,α2)∩
…
∩(0,α
n
)依次求解所有刀触点的刀轴正向摆角可行区间，得到刀轴正向摆角可行区间a：a＝[a1,a2…
,a
n
‑1,a
n
]。4.根据权利要求1所述的五轴数...

【专利技术属性】
技术研发人员：王四宝，王浩，孙守利，赵增亚，王泽华，汤滨瑞，黄强，轩懿爽，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：