一種球頭刀多軸加工刀軸矢量優化方法
2023-05-12 22:33:21 2
一種球頭刀多軸加工刀軸矢量優化方法
【專利摘要】本發明公開了一種球頭刀多軸加工刀軸矢量優化方法。首先，建立刀位優化變量與刀位數據之間的關係方程，同時建立刀位數據與工具機迴轉軸角度之間的運動變換方程，從而推導出刀位優化變量與工具機迴轉軸角度之間的關係方程。然後，通過求解上述方程得到球頭刀多軸加工複雜曲面的刀軸矢量計算公式。最後，在此基礎上給出球頭刀多軸加工刀軸矢量優化方法。該方法能夠避免加工過程中工具機迴轉軸的大幅波動，使工具機軸運動更加平穩和光滑，從而提高曲面的加工質量和加工效率，具有一定的實際應用價值。
【專利說明】一種球頭刀多軸加工刀軸矢量優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種多軸數控工具機加工複雜曲面的編程方法，尤其涉及一種球頭刀多 軸加工刀軸矢量優化方法，屬於五軸數控加工工具機領域。
【背景技術】
[0002] 航空發動機葉片是航空發動機的關鍵零件，其加工質量優劣將直接影響航空發動 機的工作性能，而葉片進排氣邊加工是影響整個葉片加工質量的關鍵因素，因此葉片進排 氣邊的高效精密加工對提高葉片加工質量起著十分重要作用。目前，在葉片實際生產過程 中，由於設計曲面的幾何性質(如曲面的法向量、主方向、曲率等）較差，將導致所生成的五 軸加工刀軌和刀軸方向波動較大，甚至引起局部加工表面的過切。即使採用簡單的五軸刀 具定位算法(如Sturz法)和球頭刀加工這些區域，也會引起刀軸方向的劇烈變化，影響工具機 運動的平穩性、超出工具機進給軸伺服能力和增大非線性加工誤差等，從而降低了葉片加工 質量和加工效率。
[0003] 現有技術中，球頭刀多軸加工複雜曲面的刀軌生成方法有兩種： 現有技術一，刀軸傾斜法(即Sturz法)，是在曲面刀觸點處使刀具沿進給方向向前傾斜 一指定角度來進行刀具定位； 現有技術二，刀軸固定法，是通過指定具體的刀軸方向使刀具在刀觸點處進行定位。
[0004] 上述現有技術至少存在以下缺點： 現有技術一的刀具定位方法嚴重依賴設計曲面刀觸點處的幾何性質(如曲面的法向 量、主方向、曲率等)，當設計曲面幾何性質較差時，利用該技術生成刀具軌跡和刀軸矢量可 能存在較大的波動和突變，對工具機造成衝擊、超出工具機進給軸速度和加速度的限制等，從而 降低曲面加工質量和加工效率；而現有技術二雖然可以避免刀軸矢量的急劇變化，但是需 要每加工完一行或幾行後，再根據工件曲面的特點來重新指定新的刀軸矢量，否則將引起 刀具與工件曲面之間發生幹涉，以及降低曲面加工質量和加工效率。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種能夠避免多軸加工過程中迴轉軸劇烈波動，實現工具機軸 運動更加平穩和光滑，提高曲面的加工效率和質量的球頭刀多軸加工刀軸矢量優化方法。
[0006] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的： 球頭刀多軸加工刀軸矢量優化方法，該方法包括以下步驟： A、 分析擺頭轉臺類五軸數控工具機的結構特徵，建立刀位優化變量與刀位數據之間的關 系方程，以及刀位數據與工具機迴轉軸角度之間的運動變換方程，從而推導出刀位優化變量 與工具機迴轉軸角度之間的關係方程； B、 根據工件曲面的特點和所使用多軸數控工具機的具體結構特徵，通過求解上述方程得 到球頭刀多軸加工複雜曲面的刀軸矢量計算公式； C、 基於上述刀軸矢量計公式，給出了球頭刀多軸加工刀軸矢量優化方法。
[0007] 由上述發明技術方案可以看出，該方法是在工具機坐標系中對刀軸矢量進行優化， 並針對工件曲面的加工特點,通過將五軸數控工具機中角度變化較大的迴轉軸進行優化，然 後再生成無局部幹涉和光滑的刀具軌跡。本發明的球頭刀多軸加工刀軸矢量優化方法能夠 避免加工過程中迴轉軸的劇烈波動，使工具機軸運動更加平穩和光滑，從而提高曲面的加工 效率和加工質量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008] 圖1為擺頭轉臺類五軸數控工具機； 圖2為球頭刀初步定位； 圖3為五軸工具機上各相關坐標系； 圖4為參數域內刀軌排列的示意圖。
【具體實施方式】
[0009] 本發明的球頭刀多軸加工刀軸矢量優化方法，以擺頭轉臺類五軸數控工具機為例進 行闡述，如圖1所示，其較佳的【具體實施方式】是，包括： 步驟A、分析擺頭轉臺類五軸數控工具機的結構特徵，建立刀位優化變量與刀位數據之間 的關係方程，以及刀位數據與工具機迴轉軸角度之間的運動變換方程，從而推導出刀位優化 變量與工具機迴轉軸角度之間的關係方程； 首先，如圖2所示，建立刀位優化變量與刀位數據之間的關係方程：
【權利要求】
1. 一種球頭刀多軸加工刀軸矢量優化方法，其特徵在於，包括以下步驟： A、 分析擺頭轉臺類五軸數控工具機的結構特徵，建立刀位優化變量與刀位數據之間的關 系方程，以及刀位數據與工具機迴轉軸角度之間的運動變換方程，從而推導出刀位優化變量 與工具機迴轉軸角度之間的關係方程； B、 根據工件曲面的特點和所使用多軸數控工具機的具體結構特徵，通過求解上述方程得 到球頭刀多軸加工複雜曲面的刀軸矢量計算公式； C、 基於上述刀軸矢量計公式，給出了球頭刀多軸加工刀軸矢量優化方法。
2. 根據權利要求1所述的一種球頭刀多軸加工刀軸矢量優化方法，其特徵在於，步驟A 中，首先建立刀位優化變量與刀位數據之間的關係方程：
其中，為刀軸矢量，（i，義幻為工件坐標系0丄7義中的刀軸矢量（即刀位數據)， 和Cr3，_F3，z3)分別為局部坐標系各坐標軸在工件坐標系中的 單位矢量，6是繞&軸旋轉的前傾角，P是繞A軸旋轉的側傾角； 然後，根據擺頭轉臺類五軸數控工具機的結構特徵，建立刀位數據與工具機迴轉軸角度之 間的運動變換方程：
其中d為五軸數控工具機迴轉軸繞Z軸的旋轉角，A為五軸數控工具機迴轉軸繞7軸的旋 轉角； 最後，推導出刀位優化變量與工具機迴轉軸角度之間的關係方程：
上述方程描述了刀位優化變量（即^和y)與工具機迴轉軸（即A和J)之間對應關係。
3. 根據權利要求1所述的一種球頭刀多軸加工刀軸矢量優化方法，其特徵在於，步驟 B中，根據工件曲面的特點和所使用多軸數控工具機的具體結構特徵，通過對上述方程式（3) 進行求解，可以得到方程（4)和（5):
聯立以上兩個方程進行求解，則可推導出已知側傾角r和迴轉軸i?來求解前傾角6和 相應的迴轉軸J的公式；再由上述所求前傾角6和給定的側傾角F，並利用公式（2)即可確 定球頭刀多軸加工複雜曲面的刀軸矢量；或由上述所求的迴轉軸J和給定的迴轉軸凡並利 用公式（3)亦可確定球頭刀多軸加工複雜曲面的刀軸矢量。
4. 根據權利要求1所述的一種球頭刀多軸加工刀軸矢量優化方法，其特徵在於，步驟C 中，首先利用Sturz算法得到一行刀軌上的採樣點所對應的工具機迴轉軸i?的數值，然後利用 三次樣條函數進行插值計算從而獲得其他刀觸點處的i?角，再根據分析加工曲面的特點所 確定側傾角W從而確定每個刀觸點處優化的刀軸矢量和刀位點位置矢量。
5.根據權利要求4所述的一種球頭刀多軸加工刀軸矢量優化方法，其特徵在於，所述 步驟C中，球頭刀刀位點位置矢量和刀軸矢量計算公式如下：
【文檔編號】G05B19/19GK104102171SQ201410314304
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月4日 優先權日:2014年7月4日
【發明者】徐汝鋒, 趙維平, 陳志同, 鄭光明, 程祥 申請人:山東理工大學