[发明专利]一种球头铣削自由曲面表面形貌仿真方法

说明书

本发明涉及一种球头铣削自由曲面表面形貌仿真方法，属于复杂曲面切削加工技术领域。包括工件的离散模型、刀具轨迹规划与刀位点位置计算方法、刀刃扫掠点模型及表面形貌生成方法。本发明优点是：针对刀位点位置计算，充分考虑5轴数控加工中刀具的插补运动形式，使用矢量检索算法替代传统的三向运动方程，直接计算任意切削时刻对应的刀位点位置；改进了Z‑map表面形貌生成算法，通过将工件的离散模型与刀刃扫掠点模型逻辑求交来生成表面形貌，在保证仿真精度的同时兼顾了仿真效率。本发明可用于对自由曲面零件表面质量的预测，也可为产品加工过程中工艺参数优化提供技术支持。

技术领域

本发明属于复杂曲面切削加工技术领域，尤其涉及一种球头铣削加工自由曲面表面形貌仿真方法。

背景技术

自由曲面零件广泛应用于航空航天、汽车及模具行业，随着人们对这些工业产品品质要求的不断提高，对零件加工质量的精确预测与控制日益重要，相关的计算机仿真技术成为辅助自由曲面精密加工的重要手段。评价自由曲面的加工质量的主要指标是曲面的形状精度和表面质量，其中形状精度与刀具轨迹相关，表面质量与主轴转速、进给量及切深等加工参数相关，借助表面形貌仿真，不仅可以预测加工表面的加工质量，还可以分析刀具轨迹与加工参数对加工质量的影响，并藉此优化加工参数及刀具轨迹来改善加工表面的加工质量，对指导自由曲面数控加工有重要意义。对企业而言，借助表面形貌仿真，可以降低试验成本，并缩短新产品的研发时间，因此自由曲面表面形貌的仿真研究一直受到学界和相关制造企业的关注。

近二十年来，关于平面铣削加工的表面形貌仿真技术，以及普通曲面如圆柱面铣削加工的表面形貌仿真技术，国内外已经积累了大量的研究成果，但目前关于复杂曲面，尤其是自由曲面的表面形貌仿真技术的研究尚有不足。

针对球头铣削自由曲面表面形貌仿真而言，求解任意时刻对应的刀位点位置是连接刀具轨迹规划和表面形貌仿真的桥梁，它是自由曲面仿真不可或缺的关键内容，一般方法是先求刀位点运动方程，然后根据运动方程求解任意切削时刻对应的刀位点位置。由于自由曲面面形复杂，不能用初等解析曲面来组合，而为了保证加工表面的形状精度，切削过程中刀位点刀具轨迹几近自由曲线，所以刀位点运动方程难于精确描述，这给求解刀位点位置带来了很大困扰。关于上述问题，现有的复杂曲面铣削加工表面形貌仿真技术，都是通过分析计算刀具每次插补运动中进给速度的三向分量(f_x,f_y,f_z)，并基于此给出刀位点的三向运动方程和求解刀位点位置，这种方法是有效的，但缺点是计算量较大，计算效率低。

此外，关于表面形貌生成方法的研究，目前比较成熟的方法是Z-map法，受限于该方法近似替代的思想，在仿真中Z-map法表现有如下缺陷：生成的表面形貌在仿真区域边界处存在局部失真现象。

发明内容

本发明提供一种球头铣削自由曲面表面形貌仿真方法，以解决目前存在的计算量较大、计算效率低、生成的表面形貌在仿真区域边界处存在局部失真现象的问题。

本发明采取的技术方案是，包括以下步骤：

第一步：建立工件的离散模型

首先建立固定于工件上的工件坐标系，而后在该坐标系内根据设计自由曲面偏置生成工件待加工表面，继而将待加工表面投影至工件坐标系XY面内，于投影上设定矩形仿真区域并划分网格，从每个网格点引出平行于工件坐标系Z轴的射线与工件待加工表面相交，交点的坐标信息存储于二维数组H中，则网格点集P_net、从每个网格点引出的射线与二维数组H共同构成工件的离散模型；

第二步：刀具轨迹规划与刀位点位置计算

(1)根据设计自由曲面偏置生成刀位面；

(2)沿间歇进给方向按等间距设置系列平行的导动面，而后求导动面与刀位面交线，交线即为理想的刀位点轨迹线；