[發(fā)明專利]基于機(jī)床軸速度限制的刀具路徑切削方向優(yōu)化方法

有效

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• 申請日: 2016-04-06
• 公開（公告）號: CN105785913B
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李振瀚;顏昌亞;劉磊
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢工程大學(xué)
• 主分類號: G05B19/19
• 分類號: G05B19/19
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 許美紅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及銑削加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于機(jī)床軸速度限制的刀具路徑切削方向優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

在數(shù)控加工領(lǐng)域，提高加工效率通常有兩種重要手段：一是提高刀具路徑的行寬分布，二是控制刀具路徑的進(jìn)給方向以使加工以最優(yōu)進(jìn)給速率進(jìn)行。

加工行寬控制的目的是減少刀具路徑的整體長度，以提高加工效率。受曲面表面精度如殘高的限制，行寬需控制在一定范圍之內(nèi)。在滿足精度要求的前提下盡可能增大加工行寬，可以有效減少整體刀具路徑的長度。一些研究者利用待加工面的幾何特性來控制生成具有最大行寬的刀具路徑，從而提高加工效率。中國專利CN200810106647.7將刀具工作面離散成一組足夠密集的經(jīng)線，找到刀具到設(shè)計曲面上距離最短的一條空間曲線，以曲線在與刀具進(jìn)給方向垂直平面的投影作為加工行寬。該方法在刀具路徑設(shè)計時考慮選用刀具的形狀與曲面的幾何特性，能有效避免干涉，控制加工誤差，在一定程度上提高加工效率。相應(yīng)的，加工行寬與刀具、待加工曲面的形狀及精度要求息息相關(guān)，加工效率的提高受到限制。

刀具路徑進(jìn)給方向的控制是為了機(jī)床在加工時具有優(yōu)化切削性能，減少不必要的速度變化，以最優(yōu)的進(jìn)給速率進(jìn)行加工來提高加工效率。對于刀具路徑進(jìn)給方向的控制，一方面要考慮待加工曲面的幾何特性，另一方面要考慮在多軸加工過程中會涉及到刀軸矢量的變換與機(jī)床性能的限制。以往大多數(shù)對刀具路徑進(jìn)給方向優(yōu)化的研究都是根據(jù)待加工曲面的幾何特性來進(jìn)行的。由于曲面上一點處沿不同方向可能具有不同的曲率，機(jī)床的加工速度需要隨曲率的變化做調(diào)整，以提高曲面的加工質(zhì)量。在對曲率變化較大的曲面、組合曲面、陡峭曲面進(jìn)行加工時，通常也需要考慮刀具路徑的進(jìn)給方向，保持加工速度穩(wěn)定，減少空刀。

基于待加工曲面的幾何特性來對加工行寬和刀具路徑進(jìn)給方向進(jìn)行優(yōu)化控制可以極大的提升加工效率，但是若要進(jìn)一步提升加工效率，需要考慮機(jī)床的運(yùn)動學(xué)性能。充分利用機(jī)床的運(yùn)動學(xué)性能，使機(jī)床在執(zhí)行時，具有最高的進(jìn)給速率，是另外一種提高加工效率的有效方式。目前很多學(xué)者對加工行寬與刀具路徑進(jìn)給方向的優(yōu)化控制做了大量的研究，但在考慮機(jī)床的運(yùn)動學(xué)性能提高加工效率方面研究較少。

中國專利CN201410529547.0以張量的方式度量曲面上任意切觸點處的切削行寬，建立切觸點處的二階張量場，根據(jù)張量場計算加工行寬最大方向，作為刀具路徑的優(yōu)化進(jìn)給方向。按此方法確定局部曲面加工邊界，在各區(qū)域內(nèi)具有沿優(yōu)化進(jìn)給方向加工的相同加工工藝，從而實現(xiàn)對整個曲面的優(yōu)化加工。這種方法基于待加工曲面特性實現(xiàn)刀具路徑進(jìn)給方向的優(yōu)化，是一種基于加工曲面幾何特性分析的方法，沒有考慮機(jī)床的運(yùn)動學(xué)性能。

中國專利CN201110111956.5建立雙NURBS曲線刀具軌跡中刀具速度分布場，通過各項約束求解刀具在運(yùn)動過程中的最大速度與加速度，可以在滿足機(jī)床伺服能力與加工性能要求下以最快的速度完成加工軌跡。該方法在一定程度上考慮了機(jī)床的運(yùn)動學(xué)性能，提高加工效率，但僅涉及NURBS曲線軌跡的加工，對于在自由曲面上進(jìn)行刀具路徑的優(yōu)化及衡量未有涉及,在自由曲面與機(jī)床之間的對應(yīng)關(guān)系建立以及刀具路徑優(yōu)化加工方向的衡量計算方面有待進(jìn)一步研究。

由于缺乏必要的數(shù)學(xué)工具，不能在刀具路徑計算過程中考慮機(jī)床的運(yùn)動學(xué)性能。在衡量刀具路徑是否為優(yōu)化路徑時，往往需要先生成刀具路徑，而刀具路徑計算比較耗時，并且在實際應(yīng)用中，無法計算出多軸機(jī)床在加工點處沿所有可能有效切削方向進(jìn)給時的刀具路徑。本發(fā)明中提及的數(shù)學(xué)方法，目的在于彌補(bǔ)這方面的不足，在不生成刀具路徑的情況下，便可完成對刀具路徑的評估，選擇“進(jìn)給速率最優(yōu)方向”作為實際刀具路徑進(jìn)給方向，實現(xiàn)對加工效率的提升。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不能在刀具路徑計算過程中考慮機(jī)床的運(yùn)動學(xué)性能的問題，提供了一種基于機(jī)床軸速度限制的曲面加工切削方向優(yōu)化計算方法，將機(jī)床的運(yùn)動學(xué)性能納入刀具路徑的計算因素中，計算出優(yōu)化的刀具路徑進(jìn)給方向，從而生成優(yōu)化的加工路徑，降低實際加工時間，提高加工效率。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

基于機(jī)床軸速度限制的曲面加工切削方向優(yōu)化計算方法，該方法包括以下步驟：

1)將待加工曲面離散成等間距網(wǎng)格單元；

2)在抽象機(jī)床坐標(biāo)系A(chǔ)MCS中建立一個機(jī)床運(yùn)動學(xué)曲面Ω，機(jī)床運(yùn)動學(xué)曲面Ω對應(yīng)于機(jī)床運(yùn)動空間中各驅(qū)動軸的運(yùn)動控制指令，工件坐標(biāo)系中待加工曲面上一點對應(yīng)于機(jī)床運(yùn)動空間中的一組運(yùn)動控制指令；