采用经线分划刀具的多坐标端铣加工刀位优化方法技术

本发明专利技术公开了一种采用经线分划刀具的多坐标端铣加工刀位优化方法，首先将刀具工作面离散成一组足够密集的经线，并计算每条经线到设计曲面的最短距离，得到一组最短距离线段；然后将最短距离线段上位于刀具工作面上的点连接起来构成一条空间曲线，即特征线，将特征线上位于编程公差带内的部分作为有效特征线段，利用有效特征线段的两端点之间的距离在与刀具进给方向垂直平面的投影作为加工行宽；以加工行宽最大为刀位优化的目标函数，以所有经线到设计曲面的距离非负作为约束条件之一，构造出刀位优化的数学模型，并结合刀轨光顺处理，求解得到最优刀位。能有效避免干涉、控制加工误差和提高加工效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种数控机床加工过程的刀具位置和轨迹的优化技术，尤其涉及一种。
技术介绍
在用球头刀加工曲面时，如果刀具的曲率半径与曲面上一点的某方向曲率半径大小相等、凹凸相反，则可以一次在曲面上加工出很宽的加工区域，该区域的有效宽度称为实际行宽或行宽。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，加工区域的法矢量的相对变化量都不会超过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，一般曲面上的不同点、同一点的不同方向的曲率半径是不同的，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工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设计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。 现有技术的五坐标加工编程中，有关如何最大限度提高曲面的加工效率、精确控制加工误差和避免加工过程的局部干涉与全局干涉等问题的研究，基本都是将上述问题分开研究而不是将它们作为一个整体进行研究，这样，有些方法就需要人工对刀具的姿态进行调整和控制以有效避免干涉、有些方法无法对行宽和加工误差进行精确计算、有些方法则无法实现行与行之间的顺序的重叠最小的衔接，以致严重损失了加工效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能有效避免干涉、控制加工误差和提高加工效率的。 本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的 本专利技术的，包括步骤 首先，将所述刀具工作面离散成一组足够密集的经线，并计算每条经线到工件设计曲面的最短距离，得到一组最短距离线段； 然后，将所述最短距离线段上位于刀具工作面上的点连接起来构成一条空间曲线，即特征线，将所述特征线上位于编程公差带内的部分作为有效特征线段，选取所述有效特征线段的全部或部分作为实效特征线段，将所述实效特征线段的两端点之间的距离在与刀具进给方向垂直平面的投影作为加工行宽； 之后，以所述加工行宽为刀位优化的目标函数，以所有经线到所述工件设计曲面的距离非负作为约束条件之一，构造出所述刀位优化的数学模型 F＝w＝F(X)，式中，F为目标函数；w为加工行宽；X为待求刀位； 其中，X＝(α，β，γ，Δk1，qk)，式中，α、β、γ分别为刀具相对工件的三个转动自由度；Δ为编程控制误差；k1为控制系数，该系数大于等于0且小于等于1；qk为在所述刀具的经线上选择的连接点，该点用于与所述实效特征线段的加工起始点进行连接； 之后，利用优化模型求解算法对所述数学模型求解得到最优刀位。 由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术所述的，由于首先将刀具工作面离散成一组足够密集的经线，并计算每条经线到设计曲面的最短距离，得到一组最短距离线段；然后将最短距离线段上位于刀具工作面上的点连接起来构成一条空间曲线，即特征线，将特征线上位于编程公差带内的部分作为有效特征线段，利用实效特征线段的两端点之间的距离在与刀具进给方向垂直平面的投影作为加工行宽；以加工行宽为刀位优化的目标函数，以所有经线到设计曲面的距离非负作为约束条件之一，构造出刀位优化的数学模型，求解得到最优刀位。这样能有效避免干涉、控制加工误差和提高加工效率。 附图说明 图1为本专利技术中在刀具上建立经线集合以求取端铣误差分布函数示意图； 图2为本专利技术中误差分布曲线示意图； 图3a为本专利技术中设计曲面的局部坐标系和工件坐标系示意图； 图3b为本专利技术中刀具曲面与局部坐标系示意图； 图4为本专利技术中边缘加工时的示意图； 图5a为本专利技术中光顺前的刀轨的示意图； 图5b为本专利技术中光顺后的刀轨的示意图。 具体实施例方式 本专利技术的，其较佳的具体实施方式是，包括步骤 首先，可以将刀具工作面离散成一组足够密集的经线，并计算每条经线到工件设计曲面的最短距离，得到一组最短距离线段； 然后，可以将最短距离线段上位于刀具工作面上的点连接起来构成一条空间曲线，即特征线，将特征线上位于编程公差带内的部分作为有效特征线段，选取有效特征线段的全部或部分作为实效特征线段，将实效特征线段的两端点之间的距离在与刀具进给方向垂直平面的投影作为加工行宽； 之后，以加工行宽为刀位优化的目标函数，以所有经线到工件设计曲面的距离非负作为约束条件之一，构造出刀位优化的数学模型 F＝w＝F(X)，式中，F为目标函数；w为加工行宽；X为待求刀位； 其中，X＝(α，β，γ，Δk1，qk)，式中，α、β、γ分别为刀具相对工件的三个转动自由度；Δ为编程控制误差；k1为控制系数，该系数大于等于0且小于等于1；qk为在刀具的经线上选择的连接点，该点用于与实效特征线段的加工起始点进行连接； 之后，可以利用优化模型求解算法对所述数学模型求解得到最优刀位。 上述的实效特征线段可以通过以下方法确定 首先，做工件设计曲面的两张等距曲面，将两张等距曲面中接近工件设计曲面的曲面作为参考设计曲面；远离工件设计曲面的曲面作为误差控制曲面，二者之间的距离为编程控制误差Δ； 其次，选定刀轨的规划方案，如按照工件设计曲面的参数线走刀、按照工件设计曲面的截面线走刀，或者沿着工件设计曲面上的任意空间曲线走刀、沿着加工行宽最大的方向走刀、沿工件设计曲面的边缘线走刀等，可以根据其中一种或多种条件设计刀轨的规划方案，也可以按照其它的条件设计刀轨的规划方案。并根据选定的刀轨规划方案在参考设计曲面上确定一条曲线作为工件的第一参考线，在第一参考线上任一点外法线方向上取与该点距离为Δk1的点作为实效特征线段的加工起始点，将所有的加工起始点进行连接作为工件的第二参考线； 然后，当从左向右逐行加工时，将有效特征线段上位于第二参考线以右的部分作为实效特征线段；当从右向左逐行加工时，将有效特征线段上位于第二参考线以左的部分作为实效特征线段。 当实效特征线段的两点附近有挡板时，优化刀位的约束条件还可以包括所述刀具上的所有经线到所述挡板的距离非负。 约束条件还可以包括最大限制行宽，约束条件还包括以下至少一个条件最大切削力、最大切削功率、表面粗糙度、加工变形量、加速度的变化范围、机床的运动参数范围等。 进行刀位优化时，目标函数还可以包括刀轨光顺处理，刀光顺处理的目标函数为F＝w1d+w2(θi±1θi)2+w3(ψi±1-ψi)2 式中，w1、w2、w3为权重，θi、ψi分别为本行加工已经确定的一个参考刀位的刀轴的前倾角和侧倾角，θi±1、ψi±1分别为参考刀位的下一刀位的刀轴的前倾角和侧倾角，d为参考刀位的下一刀位的刀心点距本行加工的STURZ刀心线的距离。 进行刀轨光顺时 当实效特征线段的左、右端点都在设计曲面内部并远离边缘挡板时，首先以行宽函数作为第一目标函数，寻找本行加工中最大行宽；然后以刀轨光顺函数为第二目标函数，进行刀轨光顺处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用经线分划刀具的多坐标端铣加工刀位优化方法，其特征在于，包括步骤：首先，将所述刀具工作面离散成一组足够密集的经线，并计算每条经线到工件设计曲面的最短距离，得到一组最短距离线段；然后，将所述最短距离线段上位于刀具工作面上 的点连接起来构成一条空间曲线，即特征线，将所述特征线上位于编程公差带内的部分作为有效特征线段，选取所述有效特征线段的全部或部分作为实效特征线段，将所述实效特征线段的两端点之间的距离在与刀具进给方向垂直平面的投影作为加工行宽；之后，以 所述加工行宽为刀位优化的目标函数，以所有经线到所述工件设计曲面的距离非负作为约束条件之一，构造出所述刀位优化的数学模型：Ｆ＝ｗ＝Ｆ（Ｘ），式中，Ｆ为目标函数；ｗ为加工行宽；Ｘ为待求刀位；其中，Ｘ＝（α，β，γ，Δｋ↓［１］， ｑ↓［ｋ］），式中，α、β、γ分别为刀具相对工件的三个转动自由度；Δ为编程控制误差；ｋ↓［１］为控制系数，该系数大于等于０且小于等于１；ｑ↓［ｋ］为在所述刀具的经线上选择的连接点，该点用于与所述实效特征线段的加工起始点进行连接；之后 ，利用优化模型求解算法对所述数学模型求解得到最优刀位。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志同，张洪，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[]