[发明专利]一种五轴加工中球形刀刀轴矢量规划方法

说明书

本发明提出一种五轴加工中球形刀刀轴矢量规划方法。该方法采用等距螺旋走刀运动，首先将复杂曲面网格化后提取刀触点，并确定该点所在切平面。然后通过分类计算所在切平面法向矢量，在空间中经过罗德里格旋转变化后转化为可用于实际加工的球形刀刀轴矢量。最后分析加工中相邻刀轴矢量旋转运动带来的非线性误差，利用四元数球面线性插值法控制旋转误差角的范围，保证复杂曲面零件加工质量。本发明刀轴矢量规划方法操作简单、易懂，规划的刀轴矢量变化均匀，加工轨迹平滑、连续，整体非线性误差角满足精度要求，应用范围较广，适用于各种类型的五轴数控机床。

技术领域

本发明属于五轴机床刀具轨迹规划领域，具体是一种五轴加工中球形刀轴矢量规划方法，是一 种将复杂曲面网格化后提取刀触点法向矢量，并通过空间旋转为球形刀刀轴矢量的规划方法。

背景技术

五轴机床的加工精度和加工质量较于普通三轴铣床有很大提升，但两个旋转轴的增加使机床刀 具位置和运动姿态变得较复杂，容易在实际加工过程中产生奇异问题和干涉碰撞，甚至影响机床整 体性能。目前常用的刀具轨迹规划方法生成的刀轨与曲面模型本身有一定差距，由于曲面变化复杂 还会出现加工轨迹分段不断退刀的问题，从而降低加工效率。五轴加工中还要考虑机床本身的动力 学特点，避免运动轨迹突变和不连续造成不断退刀，对加工表面质量和机床本身性能造成影响。

五轴机床刀轴矢量规划不合理还容易在实际加工中产生非线性误差，而造成加工表面误差过 大。现有的控制方法主要通过分析五轴机床加工时各轴的运动姿态，通过综合二维投影下的弦高误 差和旋转带来的误差，在相邻刀位点间直接插入新点来控制误差；或建立新的坐标系，将相邻间刀 轴矢量构成一个扇面进行线性插补来控制误差。以上方法非线性误差模型整体不够准确，对旋转轴 走刀方向垂直平面内非线性误差考虑较少，对于曲率变化较大的模型作用不明显，控制方法效果差。 因此亟需一种在空间上直接控制旋转误差角的球形刀刀轴矢量规划方法，并满足复杂曲面加工的精 度要求。

发明内容

为了能够满足五轴加工中刀具轨迹规划在精度方面的要求，特别是旋转轴运动，本发明提出了 一种五轴加工中球形刀刀轴矢量规划方法。该方法利用三角网格的几何特点，将复杂曲面网格化后 提取刀触点和该点所属切平面的法向矢量，通过空间旋转后转化为球形刀刀轴矢量，并通过控制加 工中刀轴旋转的非线性误差，该方法简单易操作，满足复杂曲面加工的精度要求。

一种五轴加工中球形刀刀轴矢量规划方法，包括如下步骤：

(1)将复杂曲面整体分割成三角网格。三角网格化的弦高误差δ和角度误差β由该复杂曲面的加工 精度决定，通常设定0.02mm≤δ≤0.04mm，0.5°≤β≤2.5°。确定每一个三角网格T_j的三个顶 点A_j、B_j、C_j的位置坐标，及三条边A_jB_j、B_jC_j、A_jC_j所代表的线性方程。

(2)采用等距螺旋线的走刀方式确定所有刀触点的空间坐标P_i(x_i,y_i,z_i)，其中x_i、y_i、z_i为坐标P_i在X、 Y、Z轴上的坐标，相邻刀触点P_i之间距离由球形刀刀具半径和加工精度确定。

(3)通过计算刀触点P_i与三角网格三个顶点A_j、B_j、C_j间向量的叉积，来确定刀触点P_i所属的三角 形网格坐标及其在该三角形网格中的位置，并根据P_i在三角形中位置分为三类：①刀触点P_i在三 角网格内；②刀触点P_i在三角网格顶点上；③刀触点P_i在三角网格边上。