[發明專利]一種基于機床各旋轉軸角加速度分治優化的五軸加工刀軸矢量插值方法

有效

• 申請號: 201610065066.8
• 申請日: 2016-01-29
• 公開（公告）號: CN105527927B
• 公開（公告）日: 2018-06-12
• 發明（設計）人: 徐金亭;孫玉文
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G05B19/41
• 分類號: G05B19/41
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司 21208
• 代理人: 花向陽

一種基于機床各旋轉軸角加速度分治優化的五軸加工刀軸矢量插值方法，屬于五軸數控加工技術領域。該方法是在已根據切削特性和刀具可行空間設定了關鍵刀位的情況下，解決一般刀位點處刀軸矢量的細化插值問題。首先將關鍵刀軸矢量變換到機床坐標系下，反解出機床各旋轉軸的旋轉角，再展開構造每一細化插值刀位點處各旋轉軸角加速度的逼近計算公式；然后依據分治優化策略建立各旋轉軸以角加速度變化最小為目標的最小二乘優化目標函數，給出求解方法，獲得細化插值刀位點處各旋轉軸的旋轉角；最后正向合成細化插值刀位點處的刀軸矢量。該方法確保了機床各旋轉軸角加速度變化最小且平穩光滑，改善了機床在加工復雜曲面零件時的運動學和動力學性能。

技術領域

本發明涉及一種基于機床各旋轉軸角加速度分治優化的五軸加工刀軸矢量插值方法，屬于五軸數控加工技術領域。

技術背景

目前，五軸數控加工在復雜曲面類零件加工中占據著主導地位。五軸數控機床兩個旋轉自由度的引入在提高了復雜曲面加工靈活性的同時，也增加了刀具姿態控制的難度。為了滿足目前及未來對復雜曲面類零件進行高速高精數控加工的需求，對于刀具姿態即刀軸矢量的控制，不僅要求能夠避免加工過程中可能出現的局部或全局加工干涉，以保證加工過程的幾何可行性，還必須考慮刀具姿態變化對五軸數控機床旋轉軸角加速度變化的影響，以避免實際加工過程由于刀具姿態劇烈變化導致機床旋轉軸角加速度超出機床旋轉軸本身角加速度限制的情形出現，從而保證加工過程的穩定和加工表面的完整性。朱志浩等人發明的專利“五軸聯動刀軸矢量平面插補算法”(專利號：ZL201110027530.1)利用圓弧插補代替線性插補以光順刀軸矢量的變化，減少由于線性插補所造成的非線性誤差。任軍學等人發明的專利“基于五軸無干涉刀軸控制線的葉輪加工刀軸矢量控制方法”(專利號：ZL CN201310379304.9)是在工件坐標系中，對離散的刀軸矢量進行曲線插值，實現了刀軸矢量形式上的光順；文獻“Wang N,et al.Automatic generation of gouge-free andangular-velocity-compliant five-axis tool path.Comput Aided Des 2007；39(10):841-852”和“復雜曲面五軸數控加工刀軸矢量優化方法研究,周波等,機械工程學報,2013；49(7):184-192”得到了既能滿足加工干涉約束又將刀觸點局部坐標系下刀具位姿角(α,β)變化控制在給定限制條件下的刀軸矢量。由于工件坐標系或刀觸點局部坐標系到機床坐標系的非線性逆向運動學變換，上述工件坐標系或刀觸點局部坐標系中形式上光順變化且角度變化可控的刀軸矢量并不一定對應著機床坐標系下各旋轉軸旋轉角的光順變化。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”以機床坐標系下刀具位姿角的變化必須滿足機床角速度的物理約束為條件構造刀軸矢量的可達區域，在該區域中確定無局部加工干涉的刀軸矢量。文獻“Castagnetti C,etal.The domain of admissible orientation concept:a new method for five-axistool path optimization.Comput Aided Des 2008；40(9):938-950”將工件坐標系中無加工干涉的刀軸矢量可行域變換到機床坐標系下，并以此為約束條件優化相鄰刀觸點間機床各旋轉軸旋轉角的變化，利用Matlab中的非線性優化方法對目標函數進行求解。上述方法可以將機床各旋轉軸旋轉角的變化限制在規定范圍內，但這些方法并未考慮機床坐標系下各旋轉軸角加速度的平滑特性。最近，馬建偉等人發明的專利“運動學約束的復雜曲面五軸數控加工刀矢光順方法”(專利號：ZL201310451890.3)建立了優化機床旋轉軸旋轉角的約束優化數學模型，再根據優化后的旋轉角度計算刀軸相對于法矢量的位姿角(α,β)，然后對位姿角(α,β)進行多項式擬合，實現刀軸矢量的光順。該方法所建立約束優化模型需要利用數值迭代的方法進行求解，而且也不涉及本發明所解決的刀軸矢量插值中的角加速度優化問題。賈振元等人發明的專利“復雜曲面五軸數控加工刀矢的運動學控制方法”(專利號：ZL201310451610.9)利用機床各旋轉軸旋轉角的一階和二階導數，計算角速度和角加速度，然后通過反復迭代校驗對刀軸矢量進行光順。與上述這兩種方法相比，本發明給出了簡單的角加速度逼近計算公式，取代了復雜的二階導數計算；在機床坐標系下分別建立了機床各旋轉軸角加速度的線性求解模型即各旋轉軸分治優化，并直接給出最優解，在避免了復雜耗時的數值迭代優化過程的同時，也降低了各軸同時優化的復雜性。到目前為止，基于機床各旋轉軸角加速度分治優化的五軸加工刀軸矢量插值方法還未在相關文獻和專利中出現。