[发明专利]一种基于切削点变换的车削后刀面干涉避障方法

权利要求书

1.一种基于切削点变换的车削后刀面干涉避障方法，其特征在于，该方法基于现有的Z-CX-B四轴数控车床基本构型，添加W轴或Y轴作为第五轴；针对表面凹凸起伏的回转类零件，以单位时间扫过的弧长恒定为约束，使得该时间主轴转过的角度不同而实现主轴变转速运动，以此确定复杂曲面零件的特征点集；通过计算W轴摆动角度和Y轴移动距离作为刀具切削点的变换量调整刀具工作后角，分析W轴摆动和Y轴移动的行程范围、速度及加速度变化区间与曲面结构特征之间的关联关系，实现合成切削速度矢量方向始终保持沿Y轴负方向不变；方法具体步骤如下：

步骤一：组建五轴数控车床的构型；

超精密多轴数控车床的W轴或Y轴适用于加工非回转对称的、圆周方向有凹凸起伏结构的曲面，在Z-CX-B四轴数控车床基本构型的基础上添加W轴或Y轴作为第五轴；

Z-CX-B基本构型的四轴数控车床由床身M、水平移动轴Z、主轴S、旋转轴C、装夹部分P、刀具T_刀、旋转轴B、水平移动轴X组成，在旋转轴B上添加刀具摆动轴W作为第五轴，或在旋转轴B上添加竖直移动轴Y作为第五轴；运动轴构型采用倒T型布局方式，即组成Z-CX-B-W或Z-CX-B-Y构型的五轴数控车床；

步骤二：确定变主轴转速下刀尖点扫过的单位弧长；

以单位时间扫过的弧长恒定为约束，使得该时间主轴转过的角度不同而实现主轴变转速运动；采用五轴数控车削加工空间复杂曲面，平行于坐标平面xOy提取空间曲面的截面线，令绕Z轴的旋转角为θ，则空间曲面截面线的瞬时半径R的数学方程表示为：

R＝f(θ),θ∈[0,2π] (1)

将空间曲面截面线的瞬时半径R的数学方程转化至坐标平面xOy内，其参数方程表示为：

将空间曲面截面线的瞬时半径R对旋转角θ进行一次微分，得：

使用曲线积分公式求解空间曲面的截面线弧长s，得：

令将空间曲面的截面线弧长s均分的段数为N，则空间曲面的截面线上刀尖点扫过的单位弧长ds表示为：

步骤三：确定变主轴转速下复杂曲面零件的特征点集；

令θ₀＝0，则初始点的坐标P₀(x₀,y₀)可表示为：

为简化计算，当选取的特征点集足够密集时，利用两个相邻特征点之间的直线距离代替刀尖点扫过的单位弧长，以初始点P₀(x₀,y₀)为圆心、空间曲面的截面线上刀尖点扫过的单位弧长ds为半径做圆，以沿空间曲面的截面线逆时针旋转的方向为主方向，则所做出的圆的方程与空间曲面的截面线方程联立得到的方程组表示为：

求解方程组，根据主方向分析下一点与初始点之间的位置关系，并利用递推思想确定空间曲面的截面线上的所有特征点，则所有特征点构成的复杂曲面零件的特征点集Ω表示为：

Ω＝{P₀,P₁,…,P_i,…,P_N} (8)

步骤四：确定W轴摆动和Y轴移动对应的行程范围、速度及加速度变化区间；

根据复杂曲面零件的特征点集Ω内的所有特征点P₀,P₁,…,P_i,…,P_N的坐标，则单位矢径R的坐标分量R_x、R_y表示为：

对空间曲面瞬时半径R的参数方程中的x、y分量分别对旋转角θ进行一次微分，则复杂曲面零件的特征点集Ω内的所有特征点P₀,P₁,…,P_i,…,P_N在空间曲面截面线上的单位切向量T的坐标分量T_x、T_y表示为：

根据单位矢径R和单位切向量T，则变主轴转速下W轴摆动的行程范围、速度及加速度变化区间分别表示为：

根据单位矢径R和单位切向量T，则变主轴转速下Y轴移动的行程范围、速度及加速度变化区间分别表示为：

l_y＝-(R·T)·||R|| (14)

将W轴转动角度和Y轴移动距离作为刀具切削点的变换量，分析计算后的变主轴转速下W轴摆动和Y轴移动的行程范围、速度及加速度变化区间与曲面结构特征之间的关联关系，完成基于切削点变换的变主轴转速车削加工后刀面干涉避障计算。