[发明专利]一种五轴数控加工中考虑各旋转轴角速度平滑特性的刀轴矢量插值方法

说明书

一种五轴数控加工中考虑各旋转轴角速度平滑特性的刀轴矢量插值方法，属于五轴数控加工技术领域。该方法针对已根据切削特性和刀具可行空间设定的关键刀位，解决一般刀位点处刀轴矢量的细化插值问题。首先依据逆向运动学变换方程，求解出机床坐标系下关键刀轴矢量所对应的各旋转轴的旋转角；再利用有限差分法给出每一细化插值刀位点处各旋转轴角速度的逼近计算公式；然后建立各旋转轴以角速度变化最小为目标的最小二乘优化目标函数，并给出求解方法，获得细化插值刀位点处各旋转轴的旋转角；最后正向合成细化插值刀位点处的刀轴矢量。该方法使各旋转轴角速度变化最小且平稳光滑，改善了五轴数控机床在加工复杂曲面零件时的运动学和动力学性能。

技术领域

本发明涉及一种五轴数控加工中考虑各旋转轴角速度平滑特性的刀轴矢量插值方法，属于五轴数控加工技术领域。

背景技术

五轴数控加工是现代工业中的标志性加工技术，在汽车、航空航天、船舶、模具等行业的精密复杂曲面加工中占据着主导地位。五轴数控机床两个旋转自由度的引入在提高了加工灵活性的同时，也增加了刀具姿态控制的难度。对任意刀触点而言，它所对应的刀轴矢量必须存在于该点的可行加工空间，以避免加工过程中可能出现的局部或全局加工干涉，但实际上刀触点处刀轴矢量的选取又受到其相邻刀触点甚至整条刀触轨迹的刀轴矢量变化的限制。如果相邻刀轴矢量变化过于剧烈，就可能出现实际加工过程中机床旋转轴的角速度超出机床本身运动学性能限制的情形，导致加工过程失稳、破坏加工表面的完整性。因此，对于五轴数控加工中刀轴矢量的选取，不仅要从几何学层面考虑刀具的加工干涉碰撞，还必须考虑刀具姿态变化对五轴数控机床旋转轴角速度变化的影响。朱志浩等人发明的专利“五轴联动刀轴矢量平面插补算法”(专利号：ZL201110027530.1)利用圆弧插补代替线性插补以光顺刀轴矢量的变化，减少由于线性插补所造成的非线性误差，但并未考虑机床两旋转轴角速度的变化。任军学等人发明的专利“基于五轴无干涉刀轴控制线的叶轮加工刀轴矢量控制方法”(专利号：ZL CN201310379304.9)是在工件坐标系中，对离散的刀轴矢量进行曲线插值，实现了刀轴矢量形式上的光顺，但不能保证所插值刀轴矢量的单位化；文献“Wang N,et al.Automatic generation of gouge-free and angular-velocity-compliant five-axis tool path.Comput Aided Des 2007；39(10):841-852”得到了满足干涉约束和工件坐标系下角速度限制的刀轴矢量。由于工件坐标系到机床坐标系的非线性逆向运动学变换，上述工件坐标系中形式上光顺的刀轴矢量并不一定对应着机床坐标系下两旋转轴角速度的光顺变化。文献“自由曲面五轴加工刀轴矢量的运动学优化方法，罗明等，机械工程学报，2009,45(9)：158-163”和“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”虽然在机床坐标系下考虑刀轴矢量规划，但也只是将各旋转轴的角速度控制在机床本身的角速度限制范围内，并未实现角速度的光顺变化。文献“Castagnetti C,et al.The domain of admissible orientation concept:a new method for five-axis tool path optimization.Comput Aided Des 2008；40(9):938-950”提出的刀轴矢量规划方法最小化了相邻刀触点间各旋转轴旋转角度的差值，但并未考虑在运动时间下旋转角的变化率即角速度。到目前为止，在机床坐标系下考虑机床各旋转轴角速度平滑特性的五轴数控加工刀轴矢量插值方法还未在相关文献和专利中出现。

发明内容

为克服现有五轴数控加工刀轴矢量插值方法在旋转轴角速度控制方面的不足，本发明提供了一种五轴数控加工中考虑各旋转轴角速度平滑特性的刀轴矢量插值方法。