[发明专利]运动学约束的复杂曲面五轴数控加工刀矢光顺方法

说明书

技术领域

本发明属于复杂曲面五轴数控机床精密高效加工领域，特别涉及复杂曲面五轴数控加工过程中基于机床运动学约束的刀轴矢量光顺方法。 

背景技术

复杂曲面零件五轴数控加工技术一直是工业生产领域研究的热点与难点。与三轴数控机床相比，五轴数控机床增加了两个旋转轴，刀具相对工件实现三维空间内运动，通过调整刀轴矢量方向实现刀具与被加工曲面具有良好的切触状态，保证零件加工质量，提高刀具可达性，有效避免刀具和工件之间的干涉。复杂曲面零件五轴数控加工中，刀轴矢量方向目前根据复杂曲面局部几何信息确定。随着零件曲面面形愈发复杂，基于复杂曲面局部几何信息的刀轴矢量规划存在较大的刀轴矢量变化，同时机床动态特性在可达空间中存在较强的非线性和各向异性，由此导致加工过程中五轴机床旋转轴的速度、加速度变化大，从而引起机床振动，甚至超出机床旋转进给轴的运动极限，直接影响复杂曲面加工质量和效率，极大的限制了机床性能的发挥。上述现象成为影响复杂曲面加工的重要因素之一。复杂曲面五轴数控加工中，刀轴矢量规划不仅要满足刀具和被加工曲面之间具有良好的切触状态，同时要满足机床运动学特性，基于运动学约束的复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量规划方法对于提高曲面加工质量、发挥机床性能具有重要意义。 

文献“基于临界约束的四轴数控加工刀轴优化方法”，王晶等，机械工程学报，2012，48(17)，114-120，在文献中通过计算无干涉的刀轴可行域，以切削行内所有切触点的刀轴可行域为基础，建立了无干涉且相邻刀轴变化最小的刀轴矢量优化模型，实现刀轴矢量的光顺控制，改善了机床运动的连续性，但 四轴数控机床的分析方法不完全适用于五轴数控机床。文献“复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法研究”，周波等，机械工程学报，2013，49(7)，184-192，在文献中通过在非干涉域内插入限定的加工点位，在干涉域内采用改进的C-Space方法生成光顺刀轴矢量；该方法可高效处理全局与局部干涉，但未考虑加工中机床旋转轴的运动学特性，规划出的刀轴矢量能否满足机床运动学特性有待商榷。 

发明内容

本发明要解决的技术难题是针对现有的技术缺陷，基于复杂曲面局部几何信息的刀轴矢量规划难以同时满足机床运动学特性、影响曲面加工质量的问题，结合微分几何学、机床运动学、数学优化方法，发明了基于运动学约束的复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量光顺方法，有效降低复杂曲面加工过程中旋转进给轴的最大速度和加速度，实现了五轴数控机床加工中的旋转轴运动平滑。 

本发明的技术方案是：首先，确定加工轨迹曲线上刀轴矢量的光顺调整区间，根据走刀步长选择离散点；其次，优化离散点对应的机床旋转进给轴转角，计算相应的刀轴矢量坐标；然后，计算离散点对应的曲面法矢相对刀轴矢量的旋转角度；最后，对获得的离散加工轨迹法矢转角进行拟合，计算光顺的刀轴矢量函数，保证机床旋转轴运动平滑。整体流程图参见附图1，具体步骤如下： 

1)确定刀轴矢量的光顺调整区间。 

运动学约束下复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量光顺的目的是平滑加工过程中机床旋转轴的运动，保证复杂曲面加工过程中的平稳性，以最大限度的发挥机床性能。根据加工过程中机床旋转进给轴运动学特性确定刀轴矢量光顺调整区间。 

①机床旋转进给轴速度和加速度的计算。 

待加工曲面的参数方程为S＝S(u,v)，u和v分别为曲面双向参数，由u＝u(ξ)、v＝v(ξ)确定曲面上的一条曲线r(ξ)＝r(u(ξ),u(ξ))，即刀具轨迹曲线，ξ为刀具轨迹曲线参数。复杂曲面五轴数控加工中旋转进给轴角速度ω及角加速度a为：