一种铣刀刀路轨迹生成方法技术

本发明专利技术涉及一种铣刀刀路轨迹生成方法，包括如下步骤：S1：根据五轴侧铣运动学原理，对五轴侧铣加工非可展直纹面的刀具运动路径进行编码从而确定非可展直纹曲面加工刀位轨迹中任一时刻的刀具位姿；S2：根据微分几何及相关数学知识可以求得初始刀具路径；S3：利用de Casteljau插值算法对初始刀具路径中的刀具中心点轨迹曲线、航向角参数曲线以及倾斜角曲线进行自适应插值，不断更新三条曲线；S4：使用类电磁机制随机优化方法不断迭代刀轨相关曲线控制点数量及位置，直至迭代至最大迭代次数结束搜索；S5：取最后一次迭代的轨迹曲线作为最终的刀路轨迹曲线。实现了沿直纹曲面刀具路径轨迹的的高阶连续性，整体加工质量与加工效率得到了提高。得到了提高。得到了提高。

【技术实现步骤摘要】
一种铣刀刀路轨迹生成方法


[0001]本专利技术涉及机械加工
，尤其是涉及一种铣刀刀路轨迹生成方法。

技术介绍

[0002]如今，随着航空航天、运载等各个领域的发展，对优良高端装备的需求越来越迫切，广泛应用于该领域的精密复杂曲面零件在加工效率、成形精度及成品率等指标上被提出更高的要求。非可展直纹曲面是该类复杂零件的典型特征，一般都由多轴联动数控机床加工，多轴联动数控加工需要自动编程技术的支持，刀具路径规划方法作为自动编程的核心技术，其优劣决定了曲面的加工质量和加工效率。
[0003]非可展直纹面由母线沿导线扫掠形成，是非可展的。由于非可展直纹面存在扭转角，即直母线上各点法矢有一夹角，因此在侧铣过程中会不可避免的产生原理性误差，如何合理的规划刀路轨迹成为重中之重。
[0004]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种铣刀刀路轨迹生成方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供了一种铣刀刀路轨迹生成方法，实现了沿直纹曲面刀具路径轨迹的的高阶连续性，整体加工质量与加工效率得到了提高。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种非可展直纹面五轴侧铣连续性刀路轨迹生成方法，包括如下步骤:
[0008]步骤S1：根据五轴侧铣运动学原理，对五轴侧铣加工非可展直纹面的刀具运动路径进行编码，得到单个刀具位置下的刀尖点坐标、刀轴向量的航向角和倾斜角；
[0009]步骤S2：在已知非可展直纹面上下导线方程的情况下，求得直纹面上下两条导线等参数对应两点连接的准线的表达式，根据微分几何及相关数学知识可以求得初始刀具路径；
[0010]步骤S3：利用de Casteljau插值算法对初始刀具路径中的刀具中心点轨迹曲线、航向角参数曲线以及倾斜角曲线进行自适应插值，不断更新三条曲线；
[0011]步骤S4：使用类电磁机制随机优化方法不断迭代刀轨相关曲线控制点数量及位置，直至迭代至最大迭代次数结束搜索；
[0012]步骤S5：取最后一次迭代的轨迹曲线作为最终的刀路轨迹曲线。
[0013]进一步的，所述步骤S1中，根据五轴侧铣运动学原理对刀具运动路径进行编码，从而确定非可展直纹曲面加工刀位轨迹中的任一时刻的刀具位姿，其特征在于，包括如下步骤：
[0014]步骤1.1：刀具中心点的表示:刀具中心点轨迹记为C
t
；
[0015]步骤1.2：刀轴矢量的表示：刀轴姿态用航向角φ和倾斜角θ表示，同时，航向角和倾斜角随着导线的参数μ的变化不断变化，将航向角φ和倾斜角θ表示为曲线参数的函数，分别记为C
φ
和C
t
。
[0016]进一步的，所述步骤S2中，初始刀具路径的生成，包括如下步骤：
[0017]步骤2.1：非可展直纹面上下两条准线的样条曲线方程分别为C
A
和C
B
,在圆柱刀具沿着非可展直纹面扫掠的过程中，刀具会和非可展直纹面下准线C
A
产生一系列接触点,记这些接触点构成的接触点集为(PiA，i)，在这些接触点处对应的非可展直纹面的曲面法向量集和准线向量集分别记作和
[0018]步骤2.2:将下准线上刀具与非可展直纹面接触的一系列接触点集(PiA，i)沿对应接触点处非可展直纹面的法向偏置一个刀具半径r得到一系列离散的刀路轨迹中心点
[0019]步骤2.3：采用三次样条函数拟合接触点偏置之后得到的离散刀具中心点得到完整的刀具中心点轨迹曲线方程为：
[0020]其中，c
t0
，c
t1
，c
t2
，c
t3
为你拟合后的三次样条函数的控制点，求取过程采用最小二乘法；
[0021]步骤2.4：拟合三次样条函数控制点的求取采用最小二乘法，使得拟合样条参数曲线和离散刀具中心点之间的距离平方和最小，误差函数可表示为E(u)，三次样条函数拟合最优的目标函数为F(u)；
[0022]步骤2.5：求机床坐标系O
m
‑
X
m
Y
m
Z
m
中刀轴矢量的航向角φ和倾斜角θ，由于CLS文件是在工件坐标系O
w
‑
X
w
Y
w
Z
w
中表示的，所以需要通过运动学逆变换将工件坐标系下的刀轴矢量转化到机床坐标系中。
[0023]进一步的，所述步骤S3中，利用de Casteljau算法自适应增加曲线控制点，不断迭代刀具路径，包括如下步骤：
[0024]步骤3.1:通过方程P(u)得到Bezier曲线，
[0025]其中，μ为Bezier曲线参数，P0，P1，P2，P3为曲线的控制点；
[0026]步骤3.2：利用de Casteljau插值算法将Bezier曲线细分为两段，通过方程式Pij得到具体的分割方法；
[0027]步骤3.3：经过上述分割方法将三阶Bezier曲线分为两段，其控制点分别为第一段控制点与第二控制点：
[0028]步骤3.4:分段后的两段Bezier曲线保持在断点处C1连续，下式为连续性约束条件为P03；
[0029]其中，a为一比例系数。
[0030]进一步的，所述步骤S4中，类电磁机制随机优化方法不断搜索最佳控制点数量，不断迭代刀具路径，包括如下步骤：
[0031]步骤4.1：初始化：利用类电磁机制随机优化方法在n维空间随机产生m个样本点，每个样本点对应类电磁机制随机优化方法中的一个粒子，粒子的维度为3N；
[0032]其中，N为刀路轨迹中离散到位的数目；
[0033]步骤4.2：局部搜索最优解：给定两个局部随即搜索参数LSITER和δ，分别代表局部搜索迭代次数和乘数；
[0034]步骤4.3：计算每个电荷粒子所受的总力；粒子i所带电荷总量q
i
为；粒子i所受的总力为Fi：
[0035]其中，x
best
为迭代过程中的最优解，f(x
i
)为目标函数在x
i
处的值。目标函数的表达
式为f：
[0036]其中，ε
*
为相邻两刀位间的几何误差；
[0037]步骤4.4：粒子的位移：在力F
i
的作用下带电荷的粒子将产生位移，位移公式为Xi；
[0038]步骤4.5：得到最终的最优解。
[0039]进一步的，所述在步骤S5中，取步骤4中的最优解作为优化后的非可展直纹面的刀路轨迹。
[0040]进一步的，所述接触点集(PiA，i)内的接触点对应的曲线参数均匀均匀分布。
[0041]进一步的，所述刀轴矢量为了不失一般性，将刀轴矢量进行转换，转换公式为(0 0 1 0)T，(X Y Z 1)T：
[0042]其中，(x<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非可展直纹面五轴侧铣连续性刀路轨迹生成方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤S1：根据五轴侧铣运动学原理，对五轴侧铣加工非可展直纹面的刀具运动路径进行编码，得到单个刀具位置下的刀尖点坐标、刀轴向量的航向角φ和倾斜角θ；步骤S2：在已知非可展直纹面上下导线方程的情况下，求得直纹面上下两条导线等参数对应两点连接的准线的表达式，求得初始刀具路径；步骤S3：利用de Casteljau插值算法对初始刀具路径中的刀具中心点轨迹曲线、航向角参数曲线以及倾斜角曲线进行自适应插值，不断更新三条曲线；步骤S4：使用类电磁机制随机优化方法不断迭代刀轨相关曲线控制点数量及位置，直至迭代至最大迭代次数后，结束搜索；步骤S5：取最后一次迭代的轨迹曲线作为最终的刀路轨迹曲线。2.根据权利要求1所述的一种非可展直纹面五轴侧铣连续性刀路轨迹生成方法，其特征在于：所述步骤1中的编码步骤如下：步骤1.1：刀具中心点的表示：刀具中心点轨迹记为C
t
；步骤1.2：刀轴矢量的表示：刀轴姿态用航向角φ和倾斜角θ表示，同时，航向角和倾斜角随着导线的参数μ的变化不断变化，将航向角φ和倾斜角θ表示为曲线参数的函数，分别记为C
φ
和C
t
。3.根据权利要求1所述的一种非可展直纹面五轴侧铣连续性刀路轨迹生成方法，其特征在于：所述步骤S2中，初始刀具路径的生成包括如下步骤：步骤2.1：非可展直纹面上下两条准线的样条曲线方程分别为C
A
和C
B
，在圆柱刀具沿着非可展直纹面扫掠的过程中，刀具会和非可展直纹面下准线C
A
产生一系列接触点，记这些接触点构成的接触点集为(PiA，i)，在这些接触点处对应的非可展直纹面的曲面法向量集和准线向量集分别记作和步骤2.2：将下准线上刀具与非可展直纹面接触的一系列接触点集(PiA，i)沿对应接触点处非可展直纹面的法向偏置一个刀具半径r得到一系列离散的刀路轨迹中心点步骤2.3：采用三次样条函数拟合接触点偏置之后得到的离散刀具中心点得到完整的刀具中心点轨迹曲线方程为：其中，c
t0
，c
t1
，c
t2
，c
t3
为你拟合后的三次样条函数的控制点，求取过程采用最小二乘法；步骤2.4：拟合三次样条函数控制点的求取采用最小二乘法，使得拟合样条参数曲线和离散刀具中心点之间的距离平方和最小，误差函数可表示为E(u)，三次样条函数拟合最优的目标函数为F(u)；步骤2.5：求机床坐标系O
m
‑
X
m
Y
m
Z
m
中刀轴矢量的航向角φ和倾斜角θ，由于CLS文件是在工件坐标系O
w
‑
X
w
Y
w
Z
w
中表示的，所以需要通过运动学逆变换将工件坐标系下的刀轴矢量转化到机床坐标系中。4.根据权利要求1所述的一种非可展直纹面五轴侧铣连续性刀路轨迹生成方法，其特征在于：所述步骤S3中，利用de Casteljau算法自适应增加曲线控制点，不断迭代...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘钢，李忠朋，张立强，杨青平，戴时飞，
申请(专利权)人：上海工程技术大学上海交通大学四川研究院，
类型：发明
国别省市：