[发明专利]基于工艺系统刚度特性的多轴数控加工刀具运动规划方法

摘要

一种基于工艺系统刚度特性的多轴数控加工刀具运动规划方法，通过雅克比矩阵法和有限元法建立多轴数控装备工艺系统综合刚度场模型，根据刚度场模型建立三维空间力椭球，在复杂曲面任一控制点以沿进刀方向对应的力椭球轴长作为刚度性能指标，根据所有控制点的刚度性能指标实现进刀方向优化，在任一控制点以与刀具姿态对应的力椭球最短轴轴长作为刚度性能指标，根据所有控制点的刚度性能指标实现刀具姿态优化。本发明弥补了现有多轴加工运动规划仅考虑几何约束条件的不足之处，可实现基于多轴数控装备工艺系统综合刚度特性和几何约束条件的多轴加工刀具运动规划，为大型复杂曲面多轴数控加工运动规划增添了一种新方法。

主权项

1.一种基于工艺系统刚度特性的多轴数控加工刀具运动规划方法，包括如下步骤：(一)建立多轴数控机床工艺系统的综合刚度场模型，该综合刚度场模型为6×6阶对称矩阵，表达式为：K＝((K₁)^-1+(K₂)^-1+(K₃)^-1)^-1其中，K₁、K₂、K₃分别为机床、刀具和工件在工件坐标系下的刚度矩阵；以上述综合刚度场模型的三个线刚度特征值λ₁，λ₂，λ₃为主轴建立三维空间的力椭球，提取该力椭球的最短主轴λ和沿任意方向的力椭球轴长作为该综合刚度场模型的刚度性能指标；(二)在待加工曲面建立若干个控制点；(三)刀具进刀方向的规划：在任一控制点，令刀位点与该控制点重合，刀具轴线方向与控制点法矢方向重合，进刀矢量位于与法矢相垂直的切平面内，计算沿任意进刀方向的力椭球轴长，选择最大值对应的进刀方向为优化的进刀方向，即实现对该控制点的局部进刀方向优化，进一步完成对所有控制点的局部进刀方向优化；最后根据上述局部优化的进刀方向利用平滑技术实现全局的进刀方向优化；(四)刀具姿态的规划：在任一控制点，令刀位点与该控制点重合，刀具轴线相对于曲面主法矢方向偏置各种不同角度形成不同姿态，计算不同刀具姿态对应的力椭球最短轴λ，取其中的最大值λ_max对应的刀具姿态作为该控制点的局部优化的刀具姿态，实现对该控制点的刀具姿态局部优化，进一步完成所有控制点的刀具姿态局部优化；最后根据局部优化的刀具姿态利用平滑技术实现全局的刀具姿态优化；经过上述步骤即实现多轴数控加工的刀具运动规划。