[發明專利]數控機床加工過程球頭銑刀與工件接觸區域半解析建模法

有效

• 申請號: 201710856701.9
• 申請日: 2017-09-21
• 公開（公告）號: CN107544433B
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發明（設計）人: 李宏坤;代月幫
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G05B19/408
• 分類號: G05B19/408
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

軸數控機床平面加工過程球頭銑刀與工件接觸區域半解析建模方法，屬于五軸數控機床加工領域。首先根據球頭銑刀沿著軸線方向單調分布的特點，將球頭銑刀與工件接觸區域邊界三維求解問題轉化為接觸區域在垂直于銑刀軸線平面投影的邊界二維求解問題。其次，通過幾何推導，將球頭銑刀與工件接觸區域邊界在X_m?Y_m平面投影方程的求解問題轉化為這些邊界在X?Y平面的投影方程的求解問題。最后通過半解析建模法，獲得球頭銑刀與工件接觸區域邊界在X_m?Y_m平面的投影方程。本發明能夠高精度高效地構建出前傾角為α和側傾角為β時球頭銑刀與工件接觸區域，彌補國內外在五軸數控機床上加工過程中球頭銑刀與工件接觸區域邊界識別方法的空缺，具有較高的工程應用價值。

技術領域

本發明屬于五軸數控機床加工領域，尤其是在五軸數控機床平面加工過程中球頭銑刀存在前傾角和側傾角時與工件接觸區域半解析建模方法。

背景技術

將所設計的優良性能工件保質、保量地高效加工出來，一直是制造業奮斗的目標。然而，由于缺乏準確描述切削靜力學和切削動力學的有效工具，實際加工過程中，操作工人為了避免出現過載、顫振等不良狀況，不得不采用保守的加工參數，進而影響到加工精度和加工效率。

球頭銑刀和工件的接觸區域是指在加工過程中刀具切入工件的區域。高速銑削條件下，在單齒切削周期內，銑刀可視為圓弧切削，因此銑刀-工件接觸區域蘊含著單齒切削周期內銑刀瞬時參與切削的刀刃數目和參與切削刀刃的實際切削部位等眾多信息。球頭銑刀是典型的點接觸加工刀具，具有很好的法矢自適應性，在高速銑削加工尤其是曲面加工中有廣泛的應用，因此，構建出球頭銑刀與工件加工過程中的接觸區域意義重大。

在切削靜力學和切削動力學模型中，確定球頭銑刀刀刃瞬時參加切削的上下邊界時都是在二維平面上進行的，因此，根據球頭銑刀沿軸線方向單調分布特點，可以將球頭銑刀與工件接觸區域邊界的三維求解問題轉化為這些邊界在垂直于銑刀軸線平面投影的二維求解問題。目前，常用的接觸區域識別方法主要有實體建模法，解析法，Z-Map離散法。其中實體建模法是深入到三維造型軟件內核，通過實體造型技術的布爾運算能力提取加工過程中刀具和工件接觸區域的幾何信息，投影到和刀具相關的某一平面內。精度雖然有保障，但操作過程復雜，計算效率低。解析法是通過空間解析幾何知識，直接在垂直于刀具軸線的二維坐標系下計算出接觸區域工件和刀具交線的投影方程，該方法在保證高精度的情況下，計算效率是三種方法中最高的。Z-Map離散法是將刀具和工件向某一平面投影，將投影離散為點集之后，從每個點向工件和刀具引射線，來判斷刀具-工件接觸區域，該方法同樣需要計算大量布爾運算，已有文獻證明，該方法的計算效率要遠低于解析法。

目前，國內還沒有針對五軸數控機床平面加工過程中球頭銑刀與工件接觸區域半解析建模方法。有部分學者對三軸數控機床加工過程中球頭銑刀與工件接觸區域建模方法進行了研究，但是五軸數控機床和三軸數控機床的加工方式不同，刀具姿態不同，故球頭銑刀在三軸數控機床上的建模方法并不能適用于其在五軸數控機床上，因此，如何在更先進的五軸數控機床上對球頭銑刀與工件的接觸區域進行高精度，高效率解析建模將是一個亟待解決的問題。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種五軸數控機床平面加工過程中球頭銑刀存在前傾角和側傾角時與工件接觸區域半解析建模方法，具體分以下幾個步驟。

步驟一：進行刀具路徑規劃，設置數控加工參數。

步驟二：確定前傾角為α度，側傾角為β度時球頭銑刀與工件接觸區域邊界組成，將接觸區域邊界三維求解問題轉化為這些邊界在垂直于刀具軸線平面投影的二維求解問題。

步驟三：由刀具前傾角和側傾角為零度時的三維直角坐標系X-Y-Z，推導刀具前傾角為α，側傾角為β度時的三維坐標系X_m-Y_m-Z_m，獲取X-Y平面上點與X_m-Y_m平面上點的關系。