[发明专利]基于AC型五轴数控机床球头刀加工刀轴矢量光顺方法

说明书

本发明公开了一种基于AC型五轴数控机床球头刀加工刀轴矢量光顺方法，包括如下步骤：建立球头刀刀轴矢量与刀位设计变量之间的关系方程；建立球头刀刀轴矢量与五轴数控机床回转轴A和C之间的运动变换方程；建立球头刀刀位设计变量和五轴数控机床回转轴A和C之间的关系方程；确定球头刀刀轴矢量光顺的设计变量、目标函数和约束条件，建立基于AC型五轴数控机床球头刀加工刀轴矢量光顺数学模型；确定上述刀轴矢量光顺数学模型的求解方法。该方法能够避免机床回转轴的急剧变化，使机床回转轴运动更加平稳和光滑，大幅降低机床回转轴的角速度和角加速度，从而提高曲面的加工质量和加工效率，具有较强的实际应用价值。

技术领域

本发明涉及一种五轴数控机床刀轴矢量光顺方法，尤其涉及基于AC型五轴数控机床球头刀加工刀轴矢量光顺方法，属于五轴数控加工技术领域。

背景技术

当使用球头刀五轴加工复杂曲面时，由于曲面几何性质较差，比如曲面的法向量、主方向、曲率等，容易导致所生成的球头刀刀轴矢量发生突变和大幅波动。即使采用最简单刀具定位方法(如Sturz法)五轴加工上述曲面区域，也会引起刀轴矢量的剧烈变化，从而影响五轴机床运动的平稳性、超出机床进给轴的伺服能力和增大加工过程中的非线性误差等。因此获得五轴数控加工中球头刀光滑刀轴矢量成为曲面加工技术的重要研究方向。为获得光滑的刀轴矢量，国内外学者在刀轴矢量优化方面开展了大量研究工作，并提出许多五轴加工刀轴矢量优化方法，主要集中于两个方面：一是在工件坐标系中仅考虑几何约束的刀轴矢量优化方法；二是在工件坐标系中考虑几何约束和运动学约束的刀轴矢量优化方法。

现有技术一，文献(周波,赵吉宾与刘伟军,复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法研究.机械工程学报,2013(07):184-192)提出一种复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法。首先在非干涉域内有效插入限定的加工点位，保证刀轴矢量的整体优化；同时在干涉域内采用改进的C-Space法，生成刀轴矢量光顺可行域。

现有技术二，文献(王晶等,复杂曲面零件五轴加工刀轴整体优化方法.航空学报,2013(06):1452-1462)提出一种基于临界约束的五轴刀轴矢量整体优化方法。首先构造了给定切触点处所有可行摆刀平面，并在摆刀平面内根据临界约束计算出临界刀轴矢量，在获得临界刀轴矢量的基础上，对其进行平面映射，建立了刀轴摆动的初始可行域；其次，通过对初始可行域进行均匀离散，根据离散点之间相对位置关系构造邻接矩阵，并结合最短路径搜索算法获得了初始参考刀轴，从而构造了新的刀轴摆动可行域；最后，建立当前切削行内无干涉且相邻刀轴变化最小的刀轴矢量优化模型，实现自由曲面五轴加工无干涉刀轴矢量的光滑控制。上述现有技术至少存在以下缺点：

上述方法主要以刀具与工件/机床之间不发生过切和全局干涉等作为约束条件，以工件坐标系中刀轴矢量变化最小或光滑变化作为目标函数进行刀轴矢量优化，从而获得工件坐标系中无干涉和光滑的刀轴矢量。而五轴数控机床因结构差异较大，尽管工件坐标系中刀轴矢量光滑变化，却很难保证机床坐标系中五轴机床各坐标轴尤其是回转轴都能光滑运动而无突变现象发生，从而影响机床运动的平稳性、超出机床进给轴的伺服能力和增大加工过程中的非线性误差等。因此，有必要在工件坐标系中进行刀轴矢量优化时需考虑机床坐标系中机床回转轴的变化情况，或者在机床坐标系中直接对机床回转轴进行光顺优化。

发明内容

为克服现有球头刀五轴加工复杂曲面刀轴矢量发生突变和大幅波动的问题，本发明提供一种基于AC型五轴数控机床球头刀加工刀轴矢量光顺方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于AC型五轴数控机床球头刀加工刀轴矢量光顺方法，包括以下步骤：

A、建立球头刀刀轴矢量与刀位设计变量之间的关系方程；

B、建立球头刀刀轴矢量与五轴数控机床回转轴A和C之间的运动变换方程；

C、建立球头刀刀位设计变量和五轴数控机床回转轴A和C之间的关系方程；