[发明专利]五轴侧铣加工刀具路径光顺方法

摘要

本发明提供了一种五轴侧铣加工刀具路径光顺方法，包括：计算初始刀位，并通过指定机床的运动学模型计算刀轴方向对应的机床旋转轴角度；插值初始刀位的机床旋转轴角度和刀具刀尖点位置，得到刀尖点位置轨迹线和机床旋转角度变化曲线；根据刀尖点位置轨迹线和刀轴矢量表示侧铣加工刀具路径；计算刀具路径对应的机床旋转角度曲线的刚度矩阵；根据微分演化算法计算设计面上的点到刀具包络面的最近点；根据加权最小二乘法建立五轴侧铣加工刀具路径光顺模型，求解后得到优化的刀具刀尖点位置曲线和光顺的机床旋转角度变化曲线。本发明解决了五轴侧铣加工刀具路径光顺和几何偏差控制的问题，适用于自由曲面、直纹面或类直纹面曲面五轴侧铣加工。

主权项

1.一种五轴侧铣加工刀具路径光顺方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：计算初始刀位，根据选用的机床，通过后置处理算法计算初始刀位刀轴方向对应的机床旋转轴角度；步骤S2：插值刀具刀尖点位置和机床旋转轴角度，得到刀具加工路径的刀尖点位置轨迹线和刀轴矢量曲线；步骤S3：计算刀具路径对应的机床旋转轴旋转角度曲线的刚度矩阵；步骤S4：根据微分演化算法和点到曲面的距离函数计算设计面上任一点到刀具包络面的最近距离；步骤S5：根据加权最小二乘法建立五轴侧铣加工刀具路径光顺模型；步骤S6：根据高斯‑牛顿法迭代求解光顺模型；步骤S7：得到优化后的刀具路径的刀尖点位置轨迹线和光顺的机床旋转轴旋转角度曲线，进而输出NC文件；所述步骤S2包括如下步骤：步骤S2.1：刀具的刀轴方向采用机床的两个旋转角度表示；所述步骤S4包括如下步骤：步骤S4.1：根据双参数球族包络法，无需构造包络面即可计算设计面上任一点p到刀具包络面X(a，t)的距离；设计面上任一点到刀具包络面X(a，t)的距离dp，x(w)计算公式为：其中r(w；a，t)表示刀具包络球族的半径；步骤S4.2：利用微分演化算法，根据公式(4)计算设计面上任一点p到刀具包络面的最近距离，并得到最近点在刀具路径S(a，t)上的参数(a，t)；针对五轴双摆头机床，刀轴方向O(t)表示为：其中CA(t)，CC(t)分别表示刀路对应的机床旋转角度曲线，Oi(t)表示刀轴矢量O(t)的x坐标，Oj(t)表示O(t)的y坐标，Ok(t)表示O(t)的z坐标；侧铣加工刀具路径采用工件坐标系下的刀尖点轨迹P(t)与刀轴矢量曲线O(t)表示；因此刀具路径S(w；a，t)表示为：S(w；a，t)＝P(t)+a·H·O(t)   (2)其中表示刀具路径的控制点集合，包括刀具刀尖点轨迹线控制点和机床旋转角度曲线的控制点，a、t分别表示刀具路径的参数，H表示刀具刃长；如果刀尖点位置曲线的控制点个数为l，则m＝3l+l+l；利用公式(2)表示侧铣加工刀具路径，直接优化机床的两个旋转角度；所述步骤S3包括如下步骤：步骤S3.1：令机床旋转角度曲线的控制点分别为其中l为刀尖点位置曲线的控制点个数，表示l维实数空间，利用公式(3)度量刀具路径的光顺性F_smooth：其矩阵形式为：其中K表示刚度矩阵，刚度矩阵K中的元素Kij计算公式为：所述步骤S5包括如下步骤：步骤S5.1：对刀具路径进行光顺优化，需要调整刀具路径的控制点，这样会增大刀具包络面与设计面之间的几何偏差，因此，光顺刀具路径时需要同时考虑几何偏差，通过加权最小二乘法可以建立光顺机床旋转角度的侧铣加工刀具路径规划模型：其中λ是光顺权重；所述步骤S6包括如下步骤：步骤6.1：公式(5)中的模型是非线性最小二乘问题，采用高斯‑牛顿法迭代求解，求解过程如下：令则公式(5)表示为：其中Y表示由刚度矩阵K组成的矩阵；设wk为当前解，将目标函数在wk处作一阶线性泰勒展开，得到相应的线性最小二乘问题：其中Δwk表示最优解，则最优解Δwk为：Δwk＝[(Ak)T(Ak)+AY]‑1((Ak)Tbk+(wk)TY)；求得Δwk后，令wk+1＝wk+Δwk，并进行下一次的迭代，当迭代次数超过最大迭代次数或者Δwk的变化小于设定值，则算法结束；根据输出刀位个数或者刀尖点位置弓高误差要求，在优化后的刀尖点位置轨迹线和机床旋转角度曲线上采样，然后输出NC文件。