[发明专利]采用经线分划刀具的多坐标端铣加工刀位优化方法

说明书

技术领域

本发明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，尤其涉及一种采用经线分划刀具的多坐标端铣加工刀位优化方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明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采用经线分划刀具的多坐标端铣加工刀位优化方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的采用经线分划刀具的多坐标端铣加工刀位优化方法，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，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；k₁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。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的采用经线分划刀具的多坐标端铣加工刀位优化方法，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为本发明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为本发明中误差分布曲线示意图；

图3a为本发明中设计曲面的局部坐标系和工件坐标系示意图；

图3b为本发明中刀具曲面与局部坐标系示意图；

图4为本发明中边缘加工时的示意图；

图5a为本发明中光顺前的刀轨的示意图；

图5b为本发明中光顺后的刀轨的示意图。

具体实施方式