[發明專利]一種快速生成五軸刀具姿角可行域的方法

有效

• 申請號: 201210093968.4
• 申請日: 2012-04-01
• 公開（公告）號: CN102621928A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 傅建中;林志偉;賀永;沈洪垚
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B19/18
• 分類號: G05B19/18
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及五軸數控機床刀具路徑規劃領域，尤其涉及一種快速生成五軸刀具姿角可行域的方法。

背景技術

數控機床正朝著高速化、高精化、復合化的方向發展。為適應多面體和曲面零件加工，國外數控鏜銑床、加工中心均采用多軸加工技術，包括五軸聯動功能，五軸機床通過增加兩個轉動軸，使得刀頭可以進入工件內部。五軸加工的一個主要優點是僅需經過一次裝夾即可完成復雜形狀零件的加工，和多次裝夾相比，它可極大地提高加工和生產能力，顯著縮短產品加工周期及加工成本。五軸加工中，由于刀具方向朝向工件表面，因此可使用短刀具加工，從而提高刀具壽命，減少刀具損壞。然而，多變的刀具姿角也給五軸機床的控制和編程帶來了極大地困難，特別是干涉的檢測與避免問題。

五軸加工中干涉問題可以分為局部干涉和全局干涉兩類。從微觀角度看，當刀頭在和曲面接觸點的曲率半徑大于曲面的曲率半徑時就會發生局部干涉。局部干涉會導致零件表面過切，影響零件表面加工精度。全局干涉是刀具除了切削點之外的其他部分，如刀柄、刀夾等部位和曲面發生碰撞。全局干涉不僅會破壞待加工零件表面，還可能會損壞刀具。局部干涉通常采用在刀觸點構建曲面杜邦標形的方法解決。全局干涉通常采用以下一些方法來避免：1.偏置法；2.離散法；3.硬件法。方法1是在待加工零件曲面的偏置曲面上規劃刀具路徑，這樣可以自然而然的消除干涉，難點主要在于生成待加工零件曲面的無自相交的偏置曲面；其次方法1只適用在三軸機床并且是球頭刀上，很難推廣到五軸機床及其他形式刀具上，比如平底刀、環形刀等。方法2避免用復雜的數學解析式來計算兩張曲面的相交情況，基本思想是先將工件、刀具以及機床各自離散成微小單元，然后每組微元兩兩遍歷求交；雖然用包圍盒、八叉樹等方法可以減少計算量，但對曲面上每一個刀觸點都要進行一次遍歷求交，其計算量不容忽視。方法3將繁瑣的干涉計算交給硬件系統，比如計算機顯卡，依靠圖形渲染時刀具、工件等深度測試來檢測干涉，依靠其強大的并行計算能力快速檢測干涉，但依然無法避免對每個刀觸點遍歷計算。

中國專利申請號為200710045183.9的發明專利公開了一種五軸數控加工光滑無干涉刀具路徑的規劃方法，該方法就是采用計算機顯卡，依靠圖形渲染時刀具、工件等深度測試來檢測干涉，無法避免對每個刀觸點遍歷計算。

發明內容

為了防止自由曲面五軸精加工過程中刀具與設計曲面局部以及全局干涉，避免損壞待加工零件曲面或刀具，本發明提供一種快速生成自由曲面五軸路徑規劃中刀具姿角無干涉區域的方法。本方法可以同時避免局部干涉和全局干涉。

一種快速生成五軸刀具姿角可行域的方法，包括如下步驟：

步驟1、輸入待加工零件曲面，在所述待加工零件曲面上均勻設置刀觸點；

步驟2、選擇加工刀具，根據指定的刀具類型和刀具參數建立刀具半徑方程以及刀具位置姿角方程；

步驟3、確定刀觸點刀具姿角可行域；

步驟4、若任意一個刀觸點刀具姿角可行域不存在，則更換一把半徑更小的刀具，返回步驟2；

步驟5、對刀觸點的刀具姿角可行域進行3次B樣條擬合，從而得到刀具姿角可行域表達式；

步驟6、對待加工零件曲面上所有刀觸點快速規劃出無干涉刀具路徑。

所述待加工零件曲面包括u，v兩個參數變量，在待加工零件曲面上，沿著v向上均勻取r條等u參數曲線，在每條等u參數線上，沿著v方向上均勻取s個刀觸點，共取出r×s個刀觸點。

進一步地，所述步驟2建立刀具位置姿角方程的步驟包括：

步驟2.1、對于任意刀觸點Q，建立局部坐標系，所述局部坐標系的原點為Q，X軸沿著曲面在該點處的第一主方向，Z軸沿著曲面在該點處的法向，Y軸按照右手法則確定；

步驟2.2、所述刀軸與Z軸夾角為傾斜角β，刀軸在XQY平面內的投影與X軸夾角為旋轉角θ，建立刀軸矢量單位矢量T表達式與刀具刀具中心點表達式。

進一步地，所述步驟3包括步驟：

步驟3.1、對于刀觸點Q判斷刀具是否和曲面干涉，由此來確定旋轉角為θ時無干涉情況下β的上限φ和下限ψ；

步驟3.2、將旋轉角θ∈[0，2π)等分成n份，對于每一個細分θ確定每個θ下β的上下限，得到該樣點刀具姿角可行域上下限分別為：

Φ＝(φ₁，φ₂，φ₃，...，φ_n)

Ψ＝(ψ₁，ψ₂，ψ₃，...，ψ_n)