一種螺旋線制導的曲面數控加工方法
2023-09-22 21:58:05 1
專利名稱：一種螺旋線制導的曲面數控加工方法
技術領域：
本發明屬於數控軌跡規劃和加工領域。
背景技術：
等截面線法是加工網格曲面和組合曲面等複雜曲面的傳統方法。該方法原理簡單且計算效率較高，但生成軌跡形式過分單一，難以適應形狀與功能各異的各類軌跡規劃的不同需求。尤其當曲面邊界形狀複雜時，截面線形軌跡難以保證與邊界的一致性，易產生較多較短的路徑，從而大大降低了加工效率也加速了刀具的磨損。為此，有必要提出適應性更強的加工方法。螺旋型軌跡具有良好的工藝特性，走刀方向變化平緩，容易保證被加工曲面的質量。但由於其生成算法複雜，目前僅用於二維型腔和具有參數表達的簡單曲面的加工。
有關螺旋型數控加工軌跡生成方法的專利有美國專利No.6,591,158。該專利採用了在二維型腔邊界範圍內求解橢圓偏微分方程邊值問題的方法得到螺旋型加工軌跡。具體過程是，首先以型腔的外部輪廓為邊界值求解拉普拉斯方程，在此基礎上得到一系列離散的等值線，然後在系列等值線間進行光滑連接來生成螺旋軌跡(smooth low-curvature spiral path)。採用這種方法生成的軌跡較光滑，而且在加工過程中刀具的進給方向不發生突變，較好地滿足了高速加工的要求，但該方法僅適用於二維型腔加工，不能直接用於複雜自由曲面的加工，且計算較煩瑣。Lee在文獻[Contour offsetapproach to spiral toolpath generation with constant scallop height]中提出了一種針對具有參數表達的簡單曲面的螺旋型軌跡設計方法，該方法保證了刀具在加工中運動方向一致和較少的抬刀次數，但涉及繁瑣的求交計算以及對偏置線自交和互交的判斷，而且存在尖點複製問題，從而使得該方法並不能有效地滿足高速加工對高進給率的要求。
發明內容
本發明的目的是發明一種螺旋制導的曲面數控加工方法。這種方法克服了現有技術的缺陷，避免了現有方法中繁瑣的求交計算以及自交和互交的判斷，且軌跡連續光滑不存在尖點複製問題。這種方法通過建立複雜曲面與平面上簡單圓形域之間的映射關係，使軌跡規劃首先在平面圓形域上進行，通過將平面圓形參數域內的等距和非等距螺旋線反向映射至被加工曲面，生成加工軌跡，然後對規劃好的軌跡做後處理，生成多軸數控工具機各軸對應的運動參數，進行曲面的加工。
本發明的技術方案是一種螺旋線制導的曲面數控加工方法，將被加工工件的三維曲面網格化，以基於樣條插值的平面等距或非等距螺旋線為參數線，通過映射生成三維物理空間的加工軌跡，即用具有明確數學表達的平面螺旋線制導，而螺旋線的螺距要根據被加工軌跡的行距要求確定；加工方法具體步驟如下1.首先根據被加工工件的三維曲面進行加工軌跡規劃a.對被加工曲面進行網格化；若被加工曲面是參數曲面，則採用已有的一些方法將參數曲面離散成網格曲面；若被加工件是實體模型，可藉助Solidworks軟體轉化；通常網格的邊長取在8-10mm；b.將網格化的被加工曲面映射到任意給定平面的圓形域上，採用的映射技術為線性參數化和協調映射；由此建立起網格模型與圓形域上映射模型的對應關係；如果網格的數量過多達到1萬以上，可採用分區映射或多解析度映射方式；
c.確定等距或非等距螺線的螺距首先以圓形域的圓心為起點，沿圓周方向按一定角度(3°≤α≤45°)進行行距測試，取所有測試點的最小值作為該起始圓周的行距，然後再以該行距為半徑得到下一圓周，繼續按一定角度取點進行行距測試，仍然取測試點處的最小行距作為該環的行距，依此類推，直到圓形域的最外周停止；d.根據步驟c得到的行距以圓形域的圓心為起點，在離散同心圓的基礎生成等距或非等距螺旋線，當該螺旋線的螺距為非等距時，即該螺旋線為非線性螺線時，螺距可根據步驟c得到的系列行距插值得到；e.將平面螺旋線上的軌跡離散點反向映射到三維網格曲面，得到其在網格面上的對應點；對應點的得到形式有兩種，一種是直接利用協調映射的逆映射得到，另一種是根據網格的頂點信息利用面積坐標參數化和線性插值得到對應點；f.將由步驟e計算得到的對應點的參數帶入被加工曲面的方程就得到了所需要的加工軌跡離散點；軌跡規劃好後進行使軌跡分布更為合理的迭代優化處理。
2.根據所使用的數控工具機對規劃好的軌跡做後處理，將工件坐標系下的刀位點坐標轉換成數控工具機坐標系中各軸對應的平動和轉動，通過計算機和5軸數控加工中心的接口驅動工具機，加工過程中刀具沿規劃好的螺旋線連續切削運動，直至完成對整個曲面的加工。
本發明最佳效果是這種新的加工方法大大簡化了現有螺旋軌跡複雜的生成過程，保證加工軌跡具有邊界一致性。同時，新方法保留了軌跡線映射前的連續性和光滑性，與現有數控工具機加工軌跡(見附圖7)相比不存在尖點複製問題，因此較好的改善了切削過程的動力學性能，提高了加工效率。採用螺旋型軌跡加工曲面，刀具運動平穩，工具機噪聲小，刀具磨損小，可以減少刀具磨損最高30％左右，提高加工效率，最高可達50％以上，節省大量時間和降低成本。
附圖1是螺旋加工軌跡的具體實施方案示意圖；附圖2是複雜邊界自由曲面模型；附圖3是複雜邊界自由曲面的平面參數網格；附圖4是加工複雜邊界自由曲面的螺旋軌跡；附圖5是等螺距螺旋線；附圖6是變螺距螺旋線；附圖7是現有螺旋數控加工軌跡。
具體實施方案結合附圖詳細說明本發明的具體實施方案。附圖1是螺旋加工軌跡的方法示意圖，如圖所示，離散曲面首先基於映射建立起與參數圓域的對應關係，進而通過平面螺旋制導生成自由曲面的加工軌跡。具體步驟如下1.首先根據被加工工件的三維圖紙進行加工軌跡規劃a.本實施例使用的是實體三維模型，首先藉助Solidworks軟體對被加工曲面進行網格化，三角網格的邊長為3-5mm，見附圖2。
b.將網格化的被加工曲面映射到任意給定平面的圓形域上，採用的映射技術為線性參數化和協調映射；由此建立起網格模型與圓形域上映射模型的對應關係，見附圖3。
c.確定等距或非等距螺旋線的螺距首先以圓形域的圓心為起點，沿圓周方向按一定角度(3°≤α≤36°)進行行距測試，第一圈選擇36°，以後各圈測試點角度依次減小，測試過程中取該圈所有測試點的最小值作為當前行距，然後再以該行距為半徑得到下一圓周，減小測試角度，繼續取點進行行距測試，仍然取測試點處的最小行距作為該環的行距，依此類推，直到圓形域的最外周停止；d.根據步驟c得到的行距以圓形域的圓心為起點，生成系列同心圓，進而在離散同心圓的基礎上對行距進行插值生成非等距螺旋線，見附圖5、6。
e.將平面螺旋線上的軌跡離散點反向映射到三維網格曲面，在實施例中通過根據網格的頂點信息利用面積坐標參數化和線性插值的方式得到對應點。
f.將由步驟e計算得到的對應點的參數帶入被加工曲面的方程就得到了所需要的加工軌跡離散點，見附圖4。
2.根據所使用的DECKEL MAHO 70V五軸聯動數控加工中心工具機，對規劃好的軌跡做後處理，將工件坐標系下螺旋型的離散刀位點轉換成數控工具機坐標系中各軸對應的平動和轉動。加工過程中刀具沿規劃好的螺旋線連續切削運動，直至完成對整個曲面的加工。本發明特別適合於高速加工軌跡的路徑規劃，能一次性加工整張曲面。
權利要求
1.一種螺旋線制導的曲面數控加工方法，其特徵是，將被加工零件的三維曲面網格化，以基於樣條插值的平面等距或非等距螺旋線為參數線，通過映射生成三維物理空間的加工軌跡，即用具有明確數學表達的平面螺旋線制導，而螺旋線的螺距要根據被加工軌跡的行距要求確定；加工方法步驟如下(1)首先根據被加工工件的三維曲面進行加工軌跡規劃a.對被加工曲面進行網格化；若被加工曲面是參數曲面，則採用已有的一些方法將參數曲面離散成網格曲面；若被加工件是實體模型，可藉助Solidworks軟體轉化；通常網格的邊長在2-10mm；b.將網格化的被加工曲面映射到任意給定平面的圓形域上，採用的映射技術為線性參數化和協調映射；由此建立起網格模型與圓形域上映射模型的對應關係；如果網格的數量過多達到1萬以上，可採用分區映射或多解析度映射方式；c.確定等距或非等距螺線的螺距首先以圓形域的圓心為起點，沿圓周方向按一定角度(3°≤α≤45°)進行行距測試，取所有測試點的最小值作為該起始圓周的行距，然後再以該行距為半徑得到下一圓周，繼續按一定角度取點進行行距測試，仍然取測試點處的最小行距作為該環的行距，依此類推，直到圓形域的最外周停止；d.根據步驟c得到的行距以圓形域的圓心為起點，在離散同心圓的基礎生成等距或非等距螺旋線，當該螺旋線的螺距為非等距時，即該螺旋線為非線性螺線時，螺距可根據步驟c得到的系列行距插值得到；e.將平面螺旋線上的軌跡離散點反向映射到三維網格曲面，得到其在網格面上的對應點；對應點的得到形式有兩種，一種是直接利用協調映射的逆映射得到，另一種是根據網格的頂點信息利用面積坐標參數化和線性插值得到對應點；f.將由步驟e計算得到的對應點的參數帶入被加工曲面的方程就得到了所需要的加工軌跡離散點；軌跡規劃好後進行使軌跡分布更為合理的迭代優化處理；(2)根據所使用的數控工具機對規劃好的軌跡做後處理，將工件坐標系下的刀位點坐標轉換成數控工具機坐標系中各軸對應的平動和轉動，通過計算機和5軸數控加工中心的接口驅動工具機，加工過程中刀具沿規劃好的螺旋線連續切削運動，直至完成對整個曲面的加工。
全文摘要
本發明一種螺旋線制導的曲面數控加工方法屬於數控軌跡規劃和加工領域。一種螺旋線制導的曲面數控加工方法，將被加工工件的三維曲面網格化，以基於樣條插值的平面等距或非等距螺旋線為參數線，通過映射生成三維物理空間的加工軌跡，即用具有明確數學表達的平面螺旋線制導，而螺旋線的螺距要根據被加工軌跡的行距要求確定。首先根據被加工工件的三維曲面進行加工軌跡規劃然後根據所使用的數控工具機對規劃好的軌跡做後處理。使用這種螺旋線制導曲面加工方法，刀具運動平穩、磨損小，工具機噪音低，效率高，節省了大量加工時間，降低了生產成本。
文檔編號G05B19/41GK1967423SQ20061013426
公開日2007年5月23日 申請日期2006年11月10日 優先權日2006年11月10日
發明者孫玉文, 郭東明, 賈振元, 任斐 申請人:大連理工大學