[发明专利]一种复杂曲面表面加工轨迹的生成方法

权利要求书

1.一种复杂曲面表面加工轨迹的生成方法，其特征在于，包含以下步骤：

所述方法基于多轴机床的各个坐标系，将复杂曲面表面加工的轨迹作为生成目标，为一种程序化生成方法；所述方法采用多轴机床作为加工的工具，加工前建立多轴机床的控制原则，设定工件的加工区域，所述复杂曲面表面加工的轨迹等于加工头轨迹，确定加工中心，在曲面上的中心曲面上规划加工路线，加工中心点的轨迹为加工路线的动态形成；

所述多轴机床的电机包含进给电机Z，转动电机φ，同步电机Y，左侧电机L，右侧电机R；对多轴机床建立各个坐标系，所述各个坐标系的设定参数为，Z轴为工件进给方向，X轴为平行于地面、与工件进给方向垂直、并与左侧电机L和右侧电机R在同一条直线上，Y轴垂直于地面、垂直于X轴、Y轴的交点，θ转向为绕Z轴转动，D厚度为使用多轴机床的两侧加工头跟踪得到工件的厚度，两侧加工头分别位于左侧电机L，右侧电机R上控制输入量为所述多轴机床中的电机的速度以及电机的位置；所述各个坐标系的设定参数、所述控制输入量为控制参量；所述电机的速度为其的频率成正比，等于加工速度，所述电机的位置为其在所述多轴机床上的相对位置；安装多轴机床上的叶片，并将其移动到在零位置上，使用距离传感器来检测所述叶片的安装位置，并通过所述叶片上的一个位置点来判断所述叶片的位置安装的精度；

所述控制原则为，建立工件的三维立体模拟模型，在三维立体模拟模型中将工件的复杂曲面完整重现，加工的走刀路线为连续的Z字形；对多轴机床的两侧加工头末端的轨迹进行跟踪，同时对各个电机进行控制，设定工件的零位置为多轴机床的坐标系中各轴都平行的位置；

设定工件的加工区域，即为将所述加工区域的纵深、加工进给量设定好，并将所述加工的走刀路线中纵深、进给量的具体数值设定好，所述加工区域的纵深等于所述加工的走刀路线中纵深；当所述两侧加工头的位置对应，所述加工区域的两侧加工路线也对应；

所述加工头轨迹被抽象为所述各个坐标系上的坐标值相对时间的函数，其由所述加工路线上的点以及所述加工速度通过样条曲线插补拟合得到，包含左侧加工轨迹、右侧加工轨迹、中间加工轨迹；所述加工头轨迹基于所述多轴机床的各个坐标系，可被分解为，所述左侧加工轨迹表示为左侧加工横坐标函数x₁(t)及右侧加工纵坐标函数y₁(t)、右侧加工轨迹表示为右侧加工横坐标函数x₂(t)及右侧加工纵坐标函数y₂(t)、中间加工轨迹表示为中间加工纵坐标函数z(t)及转向函数θ(t)，其中所述左侧加工横坐标函数x₁(t)及所述右侧加工纵坐标函数y₁(t)分别表示所述左侧加工轨迹的横坐标相对时间的变化、所述左侧加工轨迹的纵坐标相对时间的变化，所述右侧加工横坐标函数x₂(t)及所述右侧加工纵坐标函数y₂(t)分别表示所述右侧加工轨迹的横坐标相对时间的变化、所述右侧加工轨迹的纵坐标相对时间的变化，所述中间加工纵坐标函数z(t)表示所述中间加工轨迹在所述Z轴上坐标相对时间的变化，所述转向函数θ(t)表示中间加工轨迹的角度θ转向上绕Z轴逆时针转动的角度相对时间的变化，t为时间的变量，其中，还满足x₂(t)-x₁(t)＝D(t)，所述D厚度的函数表示为D(t),满足y₁(t)＝y₂(t)，所述右侧加工纵坐标函数y₁(t)、所述右侧加工纵坐标函数y₂(t)采用同步控制器控制两者的走向，通过所述加工头轨迹来对所述多轴机床进行控制；

复杂曲面表面加工的模式为层层加工，所述层层加工为对复杂曲面表面一层层逐渐加工，将所述中间加工轨迹的所述中间加工纵坐标函数z(t)作为进给量，两侧加工头在x轴与y轴组成的平面上运动，并且两侧加工头在y轴上保持一致，形成了加工水平线；工件的加工区域中加工侧边区域中，所述加工侧边区域将所述左侧加工轨迹、所述右侧加工区域、所述中间加工区域包含在内，所述左侧电机L、所述右侧电机R加工的所述左侧加工轨迹中所述左侧加工横坐标函数x₁(t)及所述右侧加工纵坐标函数y₁(t)、所述右侧加工轨迹中所述右侧加工横坐标函数x₂(t)及所述右侧加工纵坐标函数y₂(t)以及转角电机加工的所述中间加工轨迹中所述转向函数θ(t)不断变化，所述进给电机Z加工的所述中间加工轨迹中所述中间加工纵坐标函数z(t)保持不变，如果所述中间加工纵坐标函数z(t)变化，加工一层后，再加工下一层；工件的加工区域中其余区域，所述加工头轨迹的变化更大；所述工件的加工区域包含所述加工侧边区域以及所述其余区域；

对于所述工件的加工区域中所述加工侧边区域，加工截面e设定为当进给高度z(t)＝z_e时，z_e表示所述加工截面e在z轴上的坐标值，并维持其的值不变时，所述两侧加工头将处于的同一个加工平面；所述加工截面e为一个闭合曲线，由左侧曲线l_e1、右侧曲线l_e2、中心曲线l_e0组成，所述两侧加工头沿着所述闭合曲线移动；

所述确定加工中心，先求取所述加工截面e的中心曲线l_e0，所述中心曲线l_e0上的点到所述左侧曲线l_e1和所述右侧曲线l_e2的距离都相等，对所有加工截面e求取中心曲线，所有所述中心曲线构成中心曲面，所述中心曲面到所述工件的复杂曲面的两侧曲面距离相等；所述两侧加工头在y轴上的值采用所述同步控制器同步确定，两侧加工头在工件上的加工点形成了加工水平线，并且，工件的转角在不断变化；加工中心点E为所述加工水平线与所述加工截面e的中心曲线垂直的交点，所述加工中心点E处的切线方向为θ转向，在所述加工中心点E处的法线到所述左侧曲线l_e1和所述右侧曲线l_e2的总距离被命名为所述加工中心点E处的厚度，标记为De，由所述加工中心点E处的法线到所述左侧曲线l_e1的距离d_e1和所述加工中心点E处的法线到所述右侧曲线l_e2的距离d_e2组成，可以从所述加工中心点E求得两侧加工头在各自的加工点位置，e1表示所述加工截面e的左侧曲线的下标，e2表示所述加工截面e的右侧曲线的下标；

在曲面上的中心曲面上规划加工路线，所述加工路线与加工的走刀路线相似，为连续的Z字形相似，在所述加工路线上的点使用坐标系上的坐标表示，为[x_e，y_e，z_e]，其中，x_e为所述加工路线上的点在x轴上的坐标，y_e为所述加工路线上的点在y轴上的坐标，z_e为所述加工路线上的点在z轴上的坐标，所述加工路线上的点到所述左侧曲线l_e1的距离表示为d_e1(x_e，y_e，z_e)和所述加工中心点E处的法线到所述右侧曲线d_e2的距离表示为d_e2(x_e，y_e，z_e)，所述加工路线的切线方向角为θ_e(x_e,y_e,z_e)，与加工运动速度结合，得到所述加工中心点的轨迹f(x_e(t)，y_e(t)，z_e(t))以及所述加工中心点的切线方向值θ_e(t)，所述加工中心点的轨迹为加工路线的动态形成，与所述时间t、所述加工运动速度相关；

所述进给电机决定中间加工轨迹Z(t),并且z(t)＝z_e(t)，所述同步电机Y决定右侧加工轨迹的函数y₂(t)，左侧加工轨迹的函数y₁(t)、右侧加工轨迹的函数y₂(t)两者保持一致，即为y₁(t)＝y₂(t)＝y_e(t)；

其中，x_e(t)为加工路线上的点在x轴上的坐标相对时间t的变化量；y_e(t)为加工路线上的点在y轴上的坐标相对时间t的变化量；z_e(t)为加工路线上的点在z轴上的坐标相对时间t的变化量；

所述左侧电机L、所述右侧电机R负责求解坐标点[x_e(t)，y_e(t)，z_e(t)]到左侧曲线l_e1的距离d_e1(t)，坐标点[x_e(t)，y_e(t)，z_e(t)]到右侧曲线d_e2的距离d_e2(t)，左侧加工轨迹的函数x₁(t)满足x₁(t)＝x_e(t)-d_e1(t)，右侧加工轨迹的函数x₂(t)满足x₂(t)＝x_e(t)+d_e2(t)；转角电机负责求解所述中间加工轨迹的角度θ转向上绕Z轴逆时针转动的角度相对时间的变化θ(t)，并且满足θ(t)＝-θ_e(t)。