本发明专利技术运动学约束的复杂曲面五轴数控加工刀矢光顺方法属于复杂曲面五轴数控机床精密高效加工领域，特别涉及复杂曲面五轴数控加工过程中基于机床运动学约束的刀轴矢量光顺方法。运动学约束的刀矢光顺方法在确定加工轨迹曲线上刀轴矢量光顺调整区间、根据走刀步长确定离散点的基础上，建立机床旋转进给轴转角优化数学模型，对离散点对应的机床旋转进给轴转角进行优化，确定相应的刀轴矢量坐标计算方法；然后，计算离散点对应的曲面法矢相对刀轴矢量的旋转角度；最后，对获得的离散加工轨迹法矢转角进行拟合，获得光顺的刀轴矢量函数，保证机床旋转轴运动平滑。本发明专利技术实现五轴数控机床旋转轴的运动平滑，应用范围广，有效提高复杂曲面加工质量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复杂曲面五轴数控机床精密高效加工领域，特别涉及复杂曲面五轴数控加工过程中基于机床运动学约束的刀轴矢量光顺方法。
技术介绍
复杂曲面零件五轴数控加工技术一直是工业生产领域研究的热点与难点。与三轴数控机床相比，五轴数控机床增加了两个旋转轴，刀具相对工件实现三维空间内运动，通过调整刀轴矢量方向实现刀具与被加工曲面具有良好的切触状态，保证零件加工质量，提高刀具可达性，有效避免刀具和工件之间的干涉。复杂曲面零件五轴数控加工中，刀轴矢量方向目前根据复杂曲面局部几何信息确定。随着零件曲面面形愈发复杂，基于复杂曲面局部几何信息的刀轴矢量规划存在较大的刀轴矢量变化，同时机床动态特性在可达空间中存在较强的非线性和各向异性，由此导致加工过程中五轴机床旋转轴的速度、加速度变化大，从而引起机床振动，甚至超出机床旋转进给轴的运动极限，直接影响复杂曲面加工质量和效率，极大的限制了机床性能的发挥。上述现象成为影响复杂曲面加工的重要因素之一。复杂曲面五轴数控加工中，刀轴矢量规划不仅要满足刀具和被加工曲面之间具有良好的切触状态，同时要满足机床运动学特性，基于运动学约束的复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量规划方法对于提高曲面加工质量、发挥机床性能具有重要意义。文献“基于临界约束的四轴数控加工刀轴优化方法”，王晶等，机械工程学报，2012,48(17)，114-120，在文献中通过计算无干涉的刀轴可行域，以切削行内所有切触点的刀轴可行域为基础，建立了无干涉且相邻刀轴变化最小的刀轴矢量优化模型，实现刀轴矢量的光顺控制，改善了机床运动的连续性，但四轴数控机床的分析方法不完全适用于五轴数控机床。文献“复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法研究”，周波等，机械工程学报，2013，49(7)，184-192，在文献中通过在非干涉域内插入限定的加工点位，在干涉域内采用改进的C-Space方法生成光顺刀轴矢量；该方法可高效处理全局与局部干涉，但未考虑加工中机床旋转轴的运动学特性，规划出的刀轴矢量能否满足机床运动学特性有待商榷。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术难题是针对现有的技术缺陷，基于复杂曲面局部几何信息的刀轴矢量规划难以同时满足机床运动学特性、影响曲面加工质量的问题，结合微分几何学、机床运动学、数学优化方法，专利技术了基于运动学约束的复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量光顺方法，有效降低复杂曲面加工过程中旋转进给轴的最大速度和加速度，实现了五轴数控机床加工中的旋转轴运动平滑。本专利技术的技术方案是:首先，确定加工轨迹曲线上刀轴矢量的光顺调整区间，根据走刀步长选择离散点；其次，优化离散点对应的机床旋转进给轴转角，计算相应的刀轴矢量坐标；然后，计算离散点对应的曲面法矢相对刀轴矢量的旋转角度；最后，对获得的离散加工轨迹法矢转角进行拟合，计算光顺的刀轴矢量函数，保证机床旋转轴运动平滑。整体流程图参见附图1，具体步骤如下:I)确定刀轴矢量的光顺调整区间。运动学约束下复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量光顺的目的是平滑加工过程中机床旋转轴的运动，保证复杂曲面加工过程中的平稳性，以最大限度的发挥机床性能。根据加工过程中机床旋转进给轴运动学特性确定刀轴矢量光顺调整区间。①机床旋转进给轴速度和加速度的计算。待加工曲面的参数方程为S = S(u, V) ,U和V分别为曲面双向参数，由u = u( ξ )、V= ν(ξ)确定曲面上的一条曲线Ηξ) =Ηιι(ξ)，ιι(ξ))，即刀具轨迹曲线，ξ为刀具轨迹曲线参数。复杂曲面五轴数控加工中旋转进给轴角速度ω及角加速度a为:本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种运动学约束的复杂曲面五轴数控加工刀矢光顺方法，其特征是，在确定加工轨迹曲线上刀轴矢量光顺调整区间、根据走刀步长确定离散点的基础上，建立机床旋转进给轴转角优化数学模型，对离散点对应的机床旋转进给轴转角进行优化，确定相应的刀轴矢量坐标计算方法；然后，计算离散点对应的曲面法矢相对刀轴矢量的旋转角度；最后，对获得的离散加工轨迹法矢转角进行拟合，获得光顺的刀轴矢量函数，保证机床旋转轴运动平滑；方法具体步骤如下：?第一步：确定刀轴矢量的光顺调整区间，根据走刀步长选择离散点；?以降低复杂曲面加工中机床旋转进给轴角速度和角加速度的最大值为目的，结合机床旋转进给轴运动学参数的计算方法，根据加工轨迹曲线r(ξ)，确定刀轴矢量的光顺调整区间[ξini,ξend]，根据走刀步长在区间上取n个点，得到刀具轨迹曲线参数ξ的离散点序列Sξ为：?Sξ＝{ξ1，…，ξn}“其中ξ1＝ξini，ξn＝ξend???(1)?第二步：优化机床旋转进给轴转角，计算相应的刀轴矢量坐标；?刀轴矢量为V＝(i,j,k)，以AC双转台型五轴数控机床为例，A、C旋转进给轴在机床坐标系的转角θA、θC为：?式中，arctan2(x,y)为求x/y的四象限反正切值，即满足?π＜arctan2(x,y)≤π；离散点序列Sξ对应的加工时间序列St为St={t1,…,tn}={t(ξ1),…,t(ξn)}，以最小化式(1)对应的机床旋转进给轴转角速度变化及最小化转角间速度为目的，同时避免刀轴矢量干涉，建立机床旋转进给轴转角优化数学模型：?式中，为刀轴矢量无干涉区间在机床旋转进给轴转角范围中的映射区间；由此得到优化后的旋转进给轴转角序列为：?由式(4)及机床的逆向运动变换方程，得到优化后机床旋转进给轴转角对应的刀轴矢量序列为：?第三步：计算曲面法矢的旋转角度；?加工轨迹曲线r(ξ)上参数ξ对应点处单位法矢量表示为Nr，单位切矢量表示为Tr，Nr和Tr的叉乘向量表示为Kr；刀轴矢量V＝(i,j,k)可用将向量Nr先绕Tr旋转一个角度再绕Kr旋转一个角度β(β∈[?π,π])得到的新矢量表示，Mt和Mk分别为Nr绕矢量Tr和矢量Kr的旋转矩阵，给定α和β角，加工轨迹曲线r(ξ)上参数ξ对应点处刀轴矢量为：?式(4)对应的加工轨迹曲线r(ξ)上的法矢序列为，利用几何学知识并结合式(6)，计算得到从到的旋转角度序列Sα和Sβ：?第四步：拟合刀具加工轨迹离散点法矢转角，计算光顺后的刀轴矢量函数；?先对机床旋转进给轴离散转角进行速度平滑，进而借助刀轴矢量的调整将离散转角变量转换为连续转角变量，由此平滑旋转进给轴速度，并兼顾平滑旋转进给轴加速度；以参数ξ为自变量，以α和β角为因变量，将式(7)中的值分别拟合成多项式函数，得到α(ξ)、β(ξ)为：?将式(8)得到的α(ξ)，β(ξ)函数代入式(6)，即可得到光顺的刀轴矢量函数Vopt为：?Vopt是参数ξ的函数，应用式(9)对刀轴矢量进行重新调整，最终实现了运动学约束的复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量的光顺。?dest_path_FDA0000434597550000011.jpg,dest_path_FDA0000434597550000021.jpg,dest_path_FDA0000434597550000022.jpg,dest_path_FDA0000434597550000023.jpg,dest_path_FDA0000434597550000024.jpg,dest_path_FDA0000434597550000025.jpg,dest_path_FDA00004345975500000212.jpg,dest_path_FDA0000434597550000026.jpg,dest_path_FDA0000434597550000027.jpg,dest_path_FDA0000434597550000028.jpg,dest_path_FDA00004345975500000213.jpg,dest_path_FDA0000434597550000029.jpg,dest_path_FDA00004345975500000210.jpg,dest_path_FDA00004345975500000211.jpg,dest_path_FDA0000434597550000031.jpg,dest_path_FDA0000434597550000032.jpg...
【技术特征摘要】
1.一种运动学约束的复杂曲面五轴数控加工刀矢光顺方法，其特征是，在确定加工轨迹曲线上刀轴矢量光顺调整区间、根据走刀步长确定离散点的基础上，建立机床旋转进给轴转角优化数学模型，对离散点对应的机床旋转进给轴转角进行优化，确定相应的刀轴矢量坐标计算方法；然后，计算离散点对应的曲面法矢相对刀轴矢量的旋转角度；最后，对获得的离散加工轨迹法矢转角进行拟合，获得光顺的刀轴矢量函数，保证机床旋转轴运动平滑；方法具体步骤如下: 第一步:确定刀轴矢量的光顺调整区间，根据走刀步长选择离散点； 以降低复杂曲面加工中机床...
【专利技术属性】
技术研发人员：马建伟，秦纪云，贾振元，王福吉，许强，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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