一種針對螺杆銑削加工的刀具幹涉檢查方法
2023-05-11 03:15:36 1
專利名稱：一種針對螺杆銑削加工的刀具幹涉檢查方法
技術領域：
本發明屬於零件的數控加工領域，特別是複雜螺杆類零件數控銑削加工中的刀具幹涉檢查方法。
背景技術：
螺杆被廣泛用於石油、化工、橡膠、塑料、造紙等機械行業中的原料加壓、輸送及混合工序當中。螺杆泵、螺杆馬達(鑽具)、螺旋擠壓機、螺杆式氣體壓縮機等設備的應用日益廣泛。隨著特殊工藝的要求，出現了各式各樣的異型螺杆，包括變螺距螺杆、變深距螺杆、錐形螺杆、變稜寬螺杆、曲線槽螺杆。這些異型螺杆是壓縮機、冷凍機、注塑機、自動包裝線等設備的關鍵性基礎零件，螺杆的加工質量直接影響這些設備的性能。當今螺杆的高效數控加工方法主要有兩類，一類是比較成熟的成形銑削，另一類是近幾年出現的無瞬心包絡法和內旋風包絡銑削法。成形銑削法對銑削刀具要求比較高，螺杆螺旋面的形線完全由刀具的刃形來決定，使得成形銑刀的設計和製造十分困難。無瞬心包絡法和內旋風包絡銑削法比較適合加工複雜、異形螺杆，但在加工過程中刀刃與螺旋面之間的包絡軌跡呈複雜的空間關係，計算非常複雜。由於這些螺杆的螺旋面比較複雜，在數控加工過程中刀具路徑軌跡的計算非常複雜，很難保證加工過程中沒有過切、欠切和碰撞產生。這就需要對刀具路徑進行幹涉檢驗(即刀具幹涉檢查)，可以說刀具幹涉檢驗是在數控加工過程中保證加工精度和表面質量的關鍵。鑑於幹涉檢查在數控加工中的重要作用，長久以來國內外學者對此做了大量的研究，並且針對不同的加工對象提出了許多方法。其中發展比較成熟的是二十世紀80年代末Hansen提出的刀具幹涉檢查的投影法，至今在UG II中的許多功能模塊中均採用了這種思想。這種方法的基本思想是:假設刀具位於曲面上方的某個不幹涉的初始位置，想像刀具向下運動直到和待加工曲面剛好接觸為止，通過分割待加工曲面，把問題轉化為求刀具沿給定方向運動直到和有界小三角片相觸時的接觸點，即為所求刀觸點，用這個刀觸點偏置得到的刀位點一定不會同曲面發生幹涉。Hansen所說的投影是指把刀具上的點沿直線方向投影到待檢測的曲面上。二十世紀90年代，冉瑞江、馬德昌等對Hansen投影法進行改進，並稱之為投影法。這種改進投影法的基本思想與Hansen的投影法相同，只是在求刀具曲面嵌入被檢查曲面的深度時採用了相反的策略，不再離散(分割)待檢查曲面，而離散刀具曲面。另外幹涉檢查方法還有迭代法、等距面法、截面驗證法、偏置面法等。這些方法具有一定的普適性，原則上可以應用到螺杆的銑削幹涉檢查，但由於螺杆自身幾何和結構的特殊性，在對螺杆的幹涉檢查時存在著很多問題，比如需要耗費大量的計算時間，有時甚至超出計算機的計算能力，數據點處理時存在重複性、處理效率太低、計算複雜等。由於螺杆的結構特異性和工藝要求的特殊性，這些方法在幹涉檢查過程中難以準確的尋找出幹涉區域和準確的判斷出是否發生幹涉。如果要精確地檢查刀具與螺旋曲面的幹涉情況，則必須大大增加幹涉檢查的數據處理點，在應用這些方法進行幹涉檢查時，重複處理的數據點將極大的提高，系統的存儲需求和計算量都大大增加，處理效率下降，增加了積累誤差。
發明內容
針對上述問題，本發明提出了一種針對螺杆銑削加工的幹涉檢查方法。一種針對螺杆銑削加工的刀具幹涉檢查方法，包括以下步驟:步驟(I)獲取螺杆的設計尺寸和參數並輸入計算機，生成螺杆實體；步驟(2)針對螺杆選取投影面，根據螺旋投影算法對螺杆的螺旋面進行螺旋投影數據處理，即將螺杆的螺旋面投射到選定的投影面上，由此在投影面內得到螺杆的螺旋投影;步驟(3)獲取銑削刀具數據並自動錄入到計算機，生成刀具實體；步驟(4)讀取刀位點數據，然後在步驟(2)中所述的投影面內，根據螺旋投影理論對刀具進行螺旋投影數據處理，生成刀具在該刀位點時在投影面內的螺旋投影區域；刀具螺旋投影過程中所用到的螺旋投射線與步驟(2)中的相同；步驟(5)根據步驟(2)生成的螺杆的螺旋投影和步驟(4)生成的刀具螺旋投影，對螺杆的螺旋投影和刀具投影區域進行幹涉判斷；該幹涉判斷過程包括螺杆的螺旋投影與刀具投影區域位置關係的判斷、三種位置關係的分類處理、過切與欠切刀位點數值的記錄和反饋；步驟(6)結束判斷，判斷該刀位點是否最後一點，若是最後一點則既可結束判斷，如若不是，則重複步驟(4)、(5)、(6)。步驟(2)所述的投影面為垂直於螺杆軸線的任意平面。所述的投影面在螺杆實體之外且投影面與螺杆端面之間的距離為螺杆導程的整數倍。步驟(2)所述的螺旋投影所用到的投射線是與螺杆同軸、同旋向、同導程的螺旋線。所述的步驟(2)的具體步驟如下:根據該螺杆的尺寸和參數，選取投影面，根據螺旋投影算法對螺杆的螺旋面進行螺旋投影數據處理，得到螺旋面在投影面內的螺旋投影廓形；根據螺旋投影理論，得出廓形不再隨著螺旋面與投影面之間距離的改變而發生位置和角度的變化，即廓形在投影平面內不再變化。所述的步驟(5)中的幹涉判斷過程包括螺杆的螺旋投影與刀具投影區域位置關係的判斷、三種位置關係的分類處理、過切與欠切刀位點數值的記錄和反饋；通過判斷投影平面內螺杆的螺旋投影與刀具投影區域的位置關係，並根據得到的位置關係進行分類處理，得出在該刀位點處是否發生幹涉；所述的位置關係包括相交、相切和相離，若相交則說明在此刀位點處存在過切現象，記錄過切刀位點信息，把該刀位點數值記錄並反饋給系統；若相切，則說明不幹涉，不需要記錄該刀位點數值和狀態；若相離則說明在此刀位點處存在欠切現象，則記錄欠切刀位點信息，把該刀位點數值記錄並反饋給系統。該方法把螺杆的幹涉檢查轉化到某一特定的平面(投影面)上，即把螺杆的螺旋面和刀具曲面都投射(螺旋投射)到同一個平面上。經過螺旋投射，整個螺杆實體上所有的螺旋面在投影面上的投影是固定不變的，投影面上的投影不再隨著螺旋面與投影面之間的距離的變化產生位置和角度的改變。對於任意刀具位置，只需要在二維平面中判斷出螺旋面的螺旋投影和刀具投影區域的位置關係，就可以快速準確的判斷出是否幹涉。因此，該方法可以極大地減少重複處理的數據點，降低系統的存儲要求和計算量，提高幹涉判斷的效率和精度。本發明的有益效果:①該方法把螺杆的幹涉檢查由三維空間轉化到二維平面上進行，從而複雜的三維空間幹涉檢查可以轉變為在二維平面上判斷螺杆螺旋面的螺旋投影和刀具投影區域的位置關係，使螺旋曲面的幹涉檢查變得容易，極大地提高幹涉判斷的效率；②該方法把螺杆的螺旋面和刀具曲面螺旋投射到同一平面上，在不用離散螺旋面的情況下就可以快速判斷出幹涉區域，避免了在尋找幹涉區域時需要採用的複雜算法，降低了對系統計算和存儲能力的要求；③該方法使螺旋面的螺旋投影不再隨著螺旋面與投影面之間距離的改變而發生位置和角度的變化，大大減少螺杆幹涉檢查時重複處理的數據點，從而可以減少在處理數據點時所廣生的積累誤差，提聞幹涉檢查的精度。④由於上述特點，本發明可以有效提高螺杆銑削加工的效率，減少廢品率和事故，降低生產成本。
圖1螺旋投影示意圖；圖2螺杆實體示意圖；圖3螺杆在投影面內的螺旋投影示意圖；圖4幹涉判斷示意圖；圖5實現方法流程具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行詳細說明:本發明包括以下步驟:步驟(I)獲取螺杆的設計尺寸和參數並輸入計算機，生成螺杆實體；步驟(2)針對螺杆選取投影面，根據螺旋投影算法對螺杆的螺旋面進行螺旋投影數據處理，即將螺杆的螺旋面投射到選定的投影面上(螺旋投影所用到的投射線必須是與螺杆同軸、同旋向、同導程的螺旋線)，由此在投影面內得到螺杆的螺旋投影(根據螺旋投影理論，螺杆的螺旋投影為一個確定的封閉廓形，詳見後面的詳細說明中的方法原理)；步驟(3)獲取銑削刀具數據(型號、尺寸等)並自動錄入到計算機，生成刀具實體；步驟(4)讀取刀位點數據，然後在步驟(2)中所述的投影面內，根據螺旋投影理論對刀具進行螺旋投影數據處理(螺旋投影過程中所用到的螺旋投射線與步驟2中的相同)，生成刀具在該刀位點時在投影面內的螺旋投影區域；步驟(5)根據步驟(2)生成的螺杆的螺旋投影和步驟(4)生成的刀具螺旋投影(SP刀具投影區域)，對螺杆的螺旋投影和刀具投影區域進行幹涉判斷；步驟(6)結束判斷，判斷該刀位點是否最後一點，若是最後一點則既可結束判斷，如若不是，則重複步驟(4)、(5)、(6)。
所述的投影面可以是垂直於螺杆軸線的任意平面，一般選取的投影面在螺杆實體之外且投影面與螺杆端面之間的距離為螺杆導程的整數倍(這樣可以使螺杆的螺旋投影完全反映螺杆端面的實際形狀)。所述的投射線是螺旋投射線而不是通常意義上的直線投影線，並且螺旋投射線必須根據螺杆的尺寸和參數選取(螺旋投射線必須是與螺杆同軸、同旋向、同導程的螺旋線)。所述的步驟(2)的具體步驟如下:根據該螺杆的尺寸和參數，選取特定的投影面(Χ0Υ平面)，根據螺旋投影算法對螺杆的螺旋面進行螺旋投影數據處理，可得到螺旋面在XOY平面內的螺旋投影(abed廓形)。根據螺旋投影理論，可以得出abed廓形不再隨著螺旋面與XOY平面之間距離的改變而發生位置和角度的變化，即abed廓形在XOY平面內不再變化。
所述的步驟(4)的具體步驟如下:讀取已經存儲的刀位點數據，根據螺旋投影算法對刀具進行螺旋投影數據處理，把該刀位點的刀具實體螺旋投射到步驟(2)中選取的投影面，得到刀具在該刀位點時在投影面內的螺旋投影，即刀具投影區域；完成此步，也就把空間的刀具幹涉檢查轉化到在二維平面內進行。所述的步驟(5)的具體步驟如下:根據步驟(2)生成的螺杆的螺旋投影和步驟(4)生成的刀具投影區域，對螺杆的螺旋投影和刀具投影區域進行幹涉判斷。通過判斷投影平面內螺杆的螺旋投影與刀具投影區域的位置關係，並根據得到的位置關係進行分類處理，就可以得出在該刀位點處是否發生幹涉。所述的位置關係包括相交、相切和相離，若相交則說明在此刀位點處存在過切現象，記錄過切刀位點信息，把該刀位點數值記錄並反饋給系統；若相切，則說明不幹涉，不需要記錄該刀位點數值和狀態；若相離則說明在此刀位點處存在欠切現象，則記錄欠切刀位點信息，把該刀位點數值記錄並反饋給系統。該方法原理如下:如圖1所示，當空間一點P沿直線(投射線)向某一特定平面α (投影面)運動時，該直線與α平面的交點P也稱為點P在該α平面上的投影。類似地，如果點P沿某一螺旋線向α平面運動時，也將與α平面產生一個交點P』。在本發明中，P』稱為P的螺旋投影(簡稱投影)，Ρ點的運動軌跡稱為螺旋投射線(簡稱投射線)，如圖1所示。(其中P點為P沿直線投影方向L在α平面上的投影)假設過點P的螺旋投射線以Z軸為旋轉軸線，右旋，那麼該螺旋投射線可用螺旋線參數方程表示為
x(t) = P0 COS(成 + Po)
.(/) = A: +I >
z(t) = V/其中，P C1表示點到P投影軸的距離，表示在XOY平面內的初始角，ω、V分別表示點P的角速度和Z向運動速度，當ω/ν > O時為右旋，反之左旋。如果給定螺旋投射線的旋向和導程S，即s = 2 ν/ω |，令P。和御變化(O < P ^<c ，0<%<2ji )，則可以得到無數條同軸、同旋向、相互平行的螺旋線。以這些螺旋線作為投射線將空間形體向投影面上投射時可以得到該形體的螺旋投影。假設投影面為XOY平面，空間任意點P(x，y，z)的投影為P』 (x，，y，)，有
權利要求
1.一種針對螺杆銑削加工的刀具幹涉檢查方法，其特徵在於:包括以下步驟: 步驟(I)獲取螺杆的設計尺寸和參數並輸入計算機，生成螺杆實體； 步驟(2)針對螺杆選取投影面，根據螺旋投影算法對螺杆的螺旋面進行螺旋投影數據處理，即將螺杆的螺旋面投射到選定的投影面上，由此在投影面內得到螺杆的螺旋投影； 步驟(3)獲取銑削刀具數據並自動錄入到計算機，生成刀具實體； 步驟(4)讀取刀位點數據，然後在步驟(2)中所述的投影面內，根據螺旋投影理論對刀具進行螺旋投影數據處理，生成刀具在該刀位點時在投影面內的螺旋投影區域；刀具螺旋投影過程中所用到的螺旋投射線與步驟(2)中的相同； 步驟(5)根據步驟(2)生成的螺杆的螺旋投影和步驟(4)生成的刀具螺旋投影，對螺杆的螺旋投影和刀具投影區域幹涉判斷； 步驟(6)結束判斷，判斷該刀位點是否最後一點，若是最後一點則既可結束判斷，如若不是，則重複步驟(4)、(5)、(6)。
2.如權利要求1所述的一種針對螺杆銑削加工的刀具幹涉檢查方法，其特徵在於:步驟(2)所述的投影面為垂直於螺杆軸線的任意平面。
3.如權利要求2所述的一種針對螺杆銑削加工的刀具幹涉檢查方法，其特徵在於:所述的投影面在螺杆實體之外且投影面與螺杆端面之間的距離為螺杆導程的整數倍。
4.如權利要求1所述的一種針對螺杆銑削加工的刀具幹涉檢查方法，其特徵在於:步驟(2)所述的螺旋投影所用到的投射線是與螺杆同軸、同旋向、同導程的螺旋線。
5.如權利要求1所述的一種針對螺杆銑削加工的刀具幹涉檢查方法，其特徵在於:所述的步驟(2)的具體步驟如下:根據該螺杆的尺寸和參數，選取投影面，根據螺旋投影算法對螺杆的螺旋面進行螺旋投影數據處理，得到螺旋面在投影面內的螺旋投影廓形；根據螺旋投影理論，得出廓形不再隨著螺旋面與投影面之間距離的改變而發生位置和角度的變化，即廓形在投影平面內不再變化。
6.如權利要求1所述的一種針對螺杆銑削加工的刀具幹涉檢查方法，其特徵在於:所述的步驟(5)中的幹涉判斷過程包括螺杆的螺旋投影與刀具投影區域位置關係的判斷、三種位置關係的分類處理、過切與欠切刀位點數值的記錄和反饋；通過判斷投影平面內螺杆的螺旋投影與刀具投影區域的位置關係，並根據得到的位置關係分類處理，得出在該刀位點處是否發生幹涉；所述的位置關係包括相交、相切和相離，若相交則說明在此刀位點處存在過切現象，記錄過切刀位點信息，把該刀位點數值記錄並反饋給系統；若相切，則說明不幹涉，不需要記錄該刀位點數值和狀態；若相離則說明在此刀位點處存在欠切現象，則記錄欠切刀位點信息，把該刀位點數值記錄並反饋給系統。
全文摘要
本發明公開了一種針對螺杆銑削加工的刀具幹涉檢查方法，包括步驟(1)獲取螺杆的設計尺寸和參數並輸入計算機，生成螺杆實體；步驟(2)針對螺杆選取投影面，對螺杆的螺旋面進行螺旋投影數據處理，在投影面內得到螺杆的螺旋投影；步驟(3)獲取銑削刀具數據並自動錄入到計算機，生成刀具實體；步驟(4)讀取刀位點數據，對刀具進行螺旋投影數據處理，在步驟(2)所選取的投影面上得到刀具投影區域；步驟(5)幹涉判斷；步驟(6)結束判斷，判斷該刀位點是否最後一點，若是最後一點則既可結束判斷，如若不是，則重複步驟(4)、(5)、(6)。
文檔編號G05B19/19GK103176426SQ20131006173
公開日2013年6月26日 申請日期2013年2月27日 優先權日2013年2月27日
發明者劉日良, 朱海光 申請人:山東大學