[發明專利]一種五軸數控加工奇異區域刀位點優化方法

有效

• 申請號: 201610203592.6
• 申請日: 2016-03-31
• 公開（公告）號: CN105717874B
• 公開（公告）日: 2018-09-07
• 發明（設計）人: 沈昕;孫超;牟文平;彭雨;阮超;王偉;李衛東;唐李
• 申請（專利權）人: 成都飛機工業（集團）有限責任公司
• 主分類號: G05B19/416
• 分類號: G05B19/416
• 代理公司: 成都君合集專利代理事務所(普通合伙) 51228
• 代理人: 張鳴潔

本發明公開了一種五軸數控加工奇異區域刀位點優化方法，通過在刀軸終到向量的鄰域內對刀軸終到向量進行優化得刀軸優化后的向量，使刀軸起始向量與刀軸終到向量在以極軸為法向量的平面上投影的夾角θ最小，以減少機床第一旋轉軸的運動量從而實現對奇異區域的刀具軌跡進行優化。采用本發明所述的優化方法，不僅能提高加工精度的可靠性，程序計算簡單，而且極大的縮短了加工時間，提高加工效率。

技術領域

本發明涉及數控加工領域，具體的說是一種五軸數控加工奇異區域刀位點優化方法。

背景技術

五軸加工在三軸加工基礎上增加了兩個旋轉軸，分別為主動旋轉軸和從動旋轉軸，一般稱主動軸為第一旋轉軸，從動軸為第二旋轉軸。從而使加工方式更加靈活，材料去除率更高，加工時間更短，可以處理更為復雜的零件。因此，五軸加工在航空、航天、汽車、船舶等工業領域得到了廣泛的應用。但旋轉軸的運動也使刀具姿態控制更為復雜，從而引入許多五軸加工所特有的問題。奇異點問題就是其中重要的一個。

在五軸加工中，機床不可避免存在著奇異點(極點)以及奇異區域，當刀軸向量與第一旋轉軸向量(即主動軸旋轉中心線)重合時，該點成為奇異點或極點。該點的特征是無論第一旋轉軸處于何種位置，不改變刀軸向量，反之，以第一旋轉軸擺動任意角度得到在奇異點位置的刀軸向量。如AC擺角機床的(0,0,1)刀軸向量。

奇異點附近的區域稱為奇異區域，奇異區域的特點是，當刀軸向量在變化很小的一個空間角度時，都會引起第一旋轉軸非常大的變化。這大大增加了非線性誤差，從而會在已加工表面產生明顯波紋，會導致加工精度問題，甚至損傷機床部件。

因此，對奇異區域內的刀軸向量進行優化處理，對于提高加工精度和加工效率至關重要。

在處理五軸加工奇異區域問題上，一般有3種解決方案：

方案1：通過多項式插補修改刀具路徑避開奇異位置，但插補算法復雜，計算量非常大或單純使用線性插值在刀具路徑軌跡上加密點位，但會造成奇異區域內刀具路徑的運行速度大大降低，容易造成機床頻繁地做加減速運動，運行速率大大降低，同時也易引起刀具顫振。

方案2：通過選擇奇異點附近第一旋轉軸運動的最短路徑來減小誤差，但在選擇轉角取值時，考慮的是相鄰點轉角變化量的相對值最小，但忽略了相鄰點之間轉角變化量的絕對值較大的的可能性，當可能性發生時誤差較大。

方案3：在奇異點附近插入刀位點，同時修改第一旋轉軸轉角，避免加工通過奇異點時誤差過大，但由于之前沒有對奇異區域的范圍進行檢測，因此當刀具穿過奇異區域而不經過奇異點時，加工精度不夠理想。

基于上述三種方案的缺陷，提出一種五軸數控加工領域中誤差小，加工精度高的奇異區域優化方法成為重中之重。

發明內容

本發明的目的在于提供一種五軸數控加工奇異區域刀位點優化方法，通過在刀軸終到向量的鄰域內對刀軸終到向量進行優化，提高了加工精度的可靠性，計算簡單，并縮短加工時間，提高加工效率。

本發明通過下述技術方案實現：一種五軸數控加工奇異區域刀位點優化方法，通過在刀軸終到向量的鄰域內對刀軸終到向量進行優化得刀軸優化后的向量，使刀軸起始向量與刀軸終到向量在以極軸為法向量的平面上投影的夾角θ最小，以減少機床第一旋轉軸的運動量從而實現對奇異區域的刀具軌跡進行優化。

對奇異區域的刀具軌跡進行優化分為兩種情況：

第一種：所述的極軸在刀軸終到向量的鄰域內，所述刀軸優化后的向量為極軸向量。

第二種：所述的極軸在刀軸終到向量的鄰域外，所述刀軸優化后的向量采用以下步驟計算確認：

(a)進行刀軸優化分析，確認刀軸起始向量、待優化向量、優化目標向量、極軸向量以及刀軸向量偏擺容差Δα；