[发明专利]一种五轴加工中球形刀刀轴矢量规划方法

摘要

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。

主权项

1.一种五轴加工中球形刀刀轴矢量规划方法，其特征在于，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：第一类：刀触点P_i在三角网格内；第二类：刀触点P_i在三角网格顶点上；第三类：刀触点P_i在三角网格边上；(4)根据刀触点P_i所属分类计算该点法向矢量，第第二类、第三类类情况需考虑到刀触点P_i周围三角网格法向矢量对其影响，引入形状权重因子进行补偿，精确得出每个刀触点P_i在复杂曲面中的法向矢量n_i(n_xi,n_yi,n_zi)，其中n_xi、n_yi、n_zi为法向矢量n_i在X、Y、Z轴上的坐标；(5)将刀触点P_i的法向矢量n_i绕空间中某一单位向量F_i(a_i,b_i,c_i)，其中a_i、b_i、c_i为单位向量F_i在X、Y、Z轴上的坐标，进行罗德里格旋转角度后得到适用于球形刀加工的刀轴矢量N_ki(N_xi,N_yi,N_zi),其中N_xi、N_yi、N_zi为刀轴矢量N_ki在X、Y、Z轴上的坐标；(6)确定五轴机床各运动轴之间的耦合关系和运动传递链，建立机床运动学模型，并根据工件坐标系和机床坐标系之间的转换，确定相邻刀轴矢量N_ki、N_ki+1之间由加工运动所产生的最大非线性误差角α_i，及α_i与相邻刀轴矢量N_ki、N_ki+1间夹角θ_i关系；(7)利用四元数球面线性插补法缩小相邻刀轴矢量间夹角θ_i，从而控制非线性误差角α_i，并确保该复杂曲面的加工精度；(8)将所有满足加工精度要求的刀触点P和刀轴矢量N_k转换为五轴机床加工的各轴代码{X,Y,Z,A,C}。