[發明專利]復雜曲面五軸數控加工刀矢的運動學控制方法

有效

• 申請號: 201310451610.9
• 申請日: 2013-09-28
• 公開（公告）號: CN103558808A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 賈振元;秦紀云;馬建偉;王福吉;曲云松
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G05B19/416
• 分類號: G05B19/416
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞

技術領域

本發明屬于復雜曲面五軸數控機床精密高效加工領域，特別涉及復雜曲面五軸數控加工過程中刀軸矢量的運動學控制方法。?

背景技術

復雜曲面零件在航空航天、能源動力等領域中有著廣泛應用，普遍采用五軸數控加工設備進行加工。復雜曲面數控加工過程中，刀具與被加工曲面具有良好的切觸狀態是保證零件加工質量的關鍵因素之一，理想情況下，刀軸矢量方向應與曲面加工點處法線方向一致。五軸數控加工機床旋轉軸的出現使刀具相對工件可以實現三維空間內運動，刀軸相對工件表面連續擺動，通過調整局部坐標系中的后跟角和側偏角，從幾何上滿足刀具與被加工曲面之間具有良好的切觸狀態。隨著曲面面形愈發復雜，尤其對于具有局部曲率突變特征的復雜曲面，在刀軸相對于零件表面擺動過程中，存在較大的刀軸矢量變化，從而引起大的機床擺頭或轉臺的轉角變化。鑒于機床動態特性在可達空間中存在較強的非線性和各向異性，當機床旋轉進給軸運動速度過高或速度變化過大時，機床產生振動，發生啃切，直接影響曲面加工質量。此外，刀軸矢量的急劇變化甚至超出機床旋轉進給軸的運動極限，從而不得不停止加工，迫使降低零件加工速度，極大的限制了機床性能的發揮。上述現象成為影響復雜曲面加工的重要因素之一。復雜曲面五軸數控加工中，刀軸矢量規劃不僅要滿足刀具和被加工曲面之間具有良好的切觸狀態，同時要滿足機床運動學特性，對刀軸矢量規劃提出了更高的要求。?

文獻“機床沿曲線高速加工時的運動學與動力學特性分析”，陳金成等，機械工程學報，2002，38(1)，31-34，在文獻中詳細分析了刀具沿曲線加工時，?刀具路徑幾何特性與機床的運動學特性以及動力學特性之間的關系，計算了在各軸加速度和伺服電機驅動力約束下，機床沿曲線加工時的最大安全進給速度，但上述研究針對的是三軸數控機床，其直線進給軸的運動學分析方法不適于五軸旋轉進給軸運動學分析。文獻“自由曲面五軸加工刀軸矢量的運動學優化方法”，羅明等，機械工程學報，2009，45(9)，158-163，在文獻中針對五軸加工中刀軸矢量變化過大導致加工誤差較大和破壞零件表面加工質量的問題，提出采用運動學方法優化刀軸矢量，并由此確定機床轉動角速度可達區域作為刀軸矢量優化的約束條件，然而對機床旋轉進給軸角速度的計算粗略，且未涉及角加速度對刀軸矢量規劃的約束作用，因此無法實現對復雜曲面五軸加工刀軸矢量的運動學控制。?

綜上，復雜曲面自身幾何特征對刀軸矢量規劃提出了更高要求。根據復雜曲面幾何特征，研究五軸數控機床旋轉進給軸運動參數計算方法，以及刀軸矢量變化與機床運動學特性之間的關聯關系，提出復雜曲面五軸數控加工中刀軸矢量的運動學控制方法，進行刀軸矢量光順，對提高復雜曲面零件加工質量及效率和充分發揮五軸數控加工機床效能至關重要。?

發明內容

本發明要解決的技術難題是針對現有的技術缺陷，基于微分幾何學、機床運動學，建立五軸數控機床旋轉進給軸的運動參數計算方法，確定刀軸矢量變化與機床旋轉進給軸運動學特性之間的關聯關系，以此為基礎，對刀軸矢量進行合理光順，實現復雜曲面五軸數控加工中刀軸矢量的運動學控制，減小復雜曲面五軸數控加工中刀軸矢量劇烈變化引起的機床振動，避免超出機床旋轉進給軸的運動極限，提高曲面加工質量并最大限度發揮機床性能。?

本發明采用的技術方案是復雜曲面五軸數控加工刀矢的運動學控制方法，?該方法首先在確定復雜曲面參數化方程的基礎上，建立刀軸矢量與加工軌跡曲線參數的函數關系；其次，建立五軸數控機床旋轉進給軸運動參數計算方法，獲得旋轉進給軸角速度、角加速度計算結果；最后，對刀軸矢量進行光順，保證機床旋轉進給軸運動平滑，實現對刀軸矢量的運動學控制。整體流程圖參見附圖1，具體步驟如下：?

1)確定復雜曲面參數化方程，建立刀軸矢量與加工軌跡曲線參數的函數關系。?

復雜曲面采用立銑方式加工，初始刀軸矢量方向與待加工曲面加工點處法線方向一致，在以刀心點為原點、坐標軸方向與工件坐標系三坐標軸平行的局部坐標系下，單位刀軸矢量用V＝(i,j,k)表示。設待加工曲面的參數方程為S＝S(u,v)，u和v分別為曲面雙向參數，由u＝u(ξ)、v＝v(ξ)確定曲面上的一條曲線r(ξ)＝r(u(ξ),u(ξ))，即刀具軌跡曲線，ξ為刀具軌跡曲線參數，參見附圖2。曲線r(ξ)上參數ξ對應點處單位法矢N_r為：?