[發明專利]基于矢量場的曲面分區加工軌跡拓撲形狀設計方法

有效

• 申請號: 201811538557.5
• 申請日: 2018-12-17
• 公開（公告）號: CN109358568B
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發明（設計）人: 馬建偉;賈振元;魯曉;姜文文;趙孝軒;劉巍;司立坤
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G05B19/19
• 分類號: G05B19/19;B23C3/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞

本發明基于矢量場的曲面分區加工軌跡拓撲形狀設計方法屬于復雜曲面零件高精高效銑削加工技術領域，涉及一種基于矢量場的曲面分區加工軌跡拓撲形狀設計方法。該方法建立弦高誤差與殘高誤差協同約束的走刀矢量場，構建歸一化兩類誤差雙目標優化模型，通過評價函數求解各點最優走刀方向，建立空間矢量場；計算投影后平面矢量場散度與旋度，根據其是否為零實現加工區域初分割；分析不同矢量場特征，擬合空間矢量場流線，計算機床旋轉軸沿流線進給運動的運動學參數，根據其是否突變完成加工區域細分；結合走刀方式實現曲面不同加工區域加工軌跡拓撲形狀設計。該方法適用于復雜曲面分區加工，可減小加工誤差，提高進給運動平穩性。

技術領域

本發明屬于復雜曲面零件高精高效銑削加工技術領域，涉及一種基于矢量場的曲面分區加工軌跡拓撲形狀設計方法。

背景技術

當前，航空航天、能源動力、汽車船舶等領域的發展對復雜曲面零件的加工精度提出了極高的要求，傳統采用統一工藝全域加工的方法適用度降低，易導致誤差分布不均及局部超差，難以適用于復雜曲面零件高精度加工。為滿足此類零件的加工要求，常采用分區加工方法，將復雜曲面劃分成多個加工區域，對不同加工區域分別進行適宜的加工軌跡及加工工藝規劃。傳統分區方法多圍繞曲面曲率、法向量等制定分區準則，其分區結果對于避免加工干涉與提高加工效率等方面具有一定的指導意義。然而，現有分區準則僅針對曲面幾何特征，缺乏對加工走刀方式與加工過程中進給運動平穩性的綜合考慮，且加工區域分割與軌跡規劃相互獨立，不同加工區域的加工軌跡拓撲形狀設計缺乏理論依據，易誘發局部誤差超差及顯著切削振動，嚴重制約曲面加工質量的全面提高。由此，迫切需要研究一種基于矢量場的曲面分區加工軌跡拓撲形狀設計方法，以滿足復雜曲面零件分區加工的高精度加工要求。

郝小忠等人的專利“考慮誤差區域性分布的數控加工刀軌分區映射方法”，公開號CN107145126A。該專利根據工件理論面生成理論刀軌，將工件實際面與理論面對比得到誤差分布規律，根據誤差分布規律對實際面進行區域劃分，針對不同誤差類型的區域選擇相應的刀軌映射方法將理論刀軌映射到工件實際面上完成刀軌映射過程。然而，該方法的分區結果易受測量誤差的影響，且分區過程中實際面與理論面的對比方法缺乏理論支撐，因此該分區方法具有較大局限性。Tuong等人的文獻“A practical approach forpartitioning free-form surfaces”，International Journal of Computer IntegratedManufacturing，2010，23(11)，992-1001，提出了一種基于曲面曲率的復雜曲面分區方法。該方法通過計算曲面各點的高斯曲率和平均曲率，將加工區域劃分為凹區、凸區及鞍區，并對不同區域規劃不同加工工藝，實現了加工效率的大幅度提高。然而，該方法未考慮加工過程中進給運動平穩性，加工軌跡拓撲形狀設計缺乏理論依據，具有一定的局限性。

發明內容

本發明針對現有技術缺陷，發明了一種基于矢量場的曲面分區加工軌跡拓撲形狀設計方法。該方法針對復雜曲面分區加工過程中，加工區域分割與軌跡規劃缺乏對走刀方式與進給運動平穩性綜合考慮，造成的局部誤差超差及顯著切削振動等問題，通過建立弦高誤差與殘高誤差協同約束的走刀矢量場，實現基于走刀矢量分布的加工區域初分割及確保進給運動平穩的加工區域細分，根據分區結果，最終完成復雜曲面零件分區加工軌跡拓撲形狀設計。由此有效提高了曲面分區加工的加工精度及進給運動的平穩性，為復雜曲面高精高效加工提供技術支撐。

本發明的技術方案是一種基于矢量場的曲面分區加工軌跡拓撲形狀設計方法，其特征在于，該方法建立弦高誤差與殘高誤差協同約束的走刀矢量場，經歸一化構建兩類誤差的雙目標優化模型，通過構造評價函數求解各點最優走刀方向，建立空間矢量場；計算投影后平面矢量場散度與旋度，根據其是否為零對矢量場分類，實現加工區域初分割；分析不同矢量場特征，擬合空間矢量場流線，計算機床旋轉軸沿流線進給運動的運動學參數，根據其是否突變完成加工區域細分；結合走刀方式，實現曲面不同加工區域加工軌跡拓撲形狀設計；方法的具體步驟如下：

步驟1，建立弦高誤差與殘高誤差協同約束的走刀矢量場