[发明专利]基于工艺系统刚度特性的多轴数控加工刀具运动规划方法

说明书

技术领域：

本发明涉及多轴数控加工领域，具体是一种多轴数控加工的刀具运动规划方法。

背景技术：

随着国防、运载、能源等行业的发展，越来越多基础装备对关键功能零件如舰船用螺旋桨、水轮机叶轮、空气压缩机叶轮等提出了更多的需求。这类以叶片为主的零件外形及工作型面由复杂曲面构成，用三轴数控加工机床很难达到理想的精度甚至无法实现加工，必须采用四轴或五轴数控机床才能完成加工。但这些设备所发挥的作用只有国外的几分之一，数控加工效率低下已成为普遍存在的问题。

多轴数控装备应用技术水平低下的主要原因是：缺乏多轴加工刀具运动选择和优化方法。选择合适的多轴运动是提高数控机床应用水平和综合效率最为直接的方法。然而，目前针对多轴加工刀具运动规划的研究仅仅是考虑了几何约束条件。Li等人利用被加工零件的多面体模型生成五轴平底刀铣削加工轨迹，通过调整刀具的前倾角来避免干涉。Morishig等人利用构形空间理论检查刀具碰撞干涉并优化刀轴朝向。学者Lee采用曲率匹配的方法研究五轴加工中局部干涉的问题，通过刀具瞬时轮廓和曲面局部几何特征分析加工误差，从而调整刀具倾斜角度以消除干涉。Lee利用等残留高度法产生五轴加工轨迹，使加工后的零件表面残留高度基本保持一致。目前的商用软件中多轴加工运动规划也仅仅考虑了几何方面的约束，通常先由数控编程系统按照工件几何模型规划好刀具相对与工件的运动轨迹，在后置处理过程中根据Denavit-Hartenberg坐标变换方法(简称D-H法)反解运动轴的空间姿态，生成运动轴的运动指令，数控机床则根据运动轴的运动指令控制刀具运动实现加工。此时的运动规划仅仅考虑了被加工对象的几何特性，走刀方向、刀具相对工件的姿态以确保加工精度和不发生干涉碰撞为前提，进给速度则按照趋进加工、正常加工、退出加工等几种有限状态以事先给定的固定值确定，是基于几何、运动学的运动规划。

在多轴运动规划过程中仅仅是根据几何约束条件规划多轴运动是远远不够的，还应考虑整体工艺系统的刚性分布特性对加工所带来的影响。在工件复杂曲面的不同位置选择不同的进刀方向和走刀姿态，这些选择直接影响工艺系统的综合刚性。若能够优化多轴运动，使得多轴运动与工艺系统的刚性相匹配，这样就可以更好地发挥机床的加工性能。综合考虑多轴数控装备工艺系统综合刚度特性和几何约束条件规划多轴加工刀具运动无疑是提升多轴机床应用技术水平的最佳途径。

相对于三轴数控装备而言，多轴数控装备的运动轴个数增多，相应的驱动传动部件增多。传动部件的可动结合面、固定结合面等一般具有弱刚性特点，结合面的增加直接导致整体装备的刚性降低，引起整体工艺系统刚度特性的变化；除了传动部件之间结合面的弱刚性，刀具、工件及其夹持的弱刚性也会对工艺系统的刚性产生影响，比如采用细长刀具加工叶片这种典型的薄壁结构，它们的弱刚性特性直接影响到工艺系统的综合刚度特性。分析“机床-刀具-工件”构成的工艺系统的综合刚度特性的分布规律，有助于编程人员正确选择刀具姿态、进刀方向，使得刀具以最适应工艺系统刚度特性的方式运动。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于工艺系统刚度特性的多轴数控加工刀具运动规划的方法，建立多轴数控装备工艺系统的综合刚度模型，将综合刚度性能分析与多轴运动规划相结合，为工艺人员提供快速规划多轴运动的方法和手段。

实现本发明的目的所采用的具体技术方案如下：

一种基于工艺系统刚度特性的多轴数控加工刀具运动规划方法，包括如下步骤：

(一)建立多轴数控机床工艺系统的综合刚度场模型，该综合刚度场模型为6×6阶对称矩阵，表达式为：

K＝((K₁)^-1+(K₂)^-1+(K₃)^-1)^-1

其中，K₁、K₂、K₃分别为机床、刀具和工件在工件坐标系下的刚度矩阵；

以上述综合刚度场模型的三个线刚度特征值λ₁，λ₂，λ₃为主轴建立三维空间的力椭球，提取该力椭球的最短主轴λ和沿任意方向的力椭球轴长作为该综合刚度场模型的刚度性能指标；

(二)在待加工曲面建立若干个控制点；

(三)刀具进刀方向的规划：