[發明專利]一種五軸加工中球形刀刀軸矢量規劃方法

有效

• 申請號: 201910302500.3
• 申請日: 2019-04-16
• 公開（公告）號: CN110032140B
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 洪榮晶;洪欣宇;林曉川
• 申請（專利權）人: 南京工業大學;南京工大數控科技有限公司
• 主分類號: G05B19/19
• 分類號: G05B19/19
• 代理公司: 北京卓嵐智財知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11624
• 代理人: 郭智

本發明提出一種五軸加工中球形刀刀軸矢量規劃方法。該方法采用等距螺旋走刀運動，首先將復雜曲面網格化后提取刀觸點，并確定該點所在切平面。然后通過分類計算所在切平面法向矢量，在空間中經過羅德里格旋轉變化后轉化為可用于實際加工的球形刀刀軸矢量。最后分析加工中相鄰刀軸矢量旋轉運動帶來的非線性誤差，利用四元數球面線性插值法控制旋轉誤差角的范圍，保證復雜曲面零件加工質量。本發明刀軸矢量規劃方法操作簡單、易懂，規劃的刀軸矢量變化均勻，加工軌跡平滑、連續，整體非線性誤差角滿足精度要求，應用范圍較廣，適用于各種類型的五軸數控機床。

技術領域

本發明屬于五軸機床刀具軌跡規劃領域，具體是一種五軸加工中球形刀軸矢量規劃方法，是一 種將復雜曲面網格化后提取刀觸點法向矢量，并通過空間旋轉為球形刀刀軸矢量的規劃方法。

背景技術

五軸機床的加工精度和加工質量較于普通三軸銑床有很大提升，但兩個旋轉軸的增加使機床刀 具位置和運動姿態變得較復雜，容易在實際加工過程中產生奇異問題和干涉碰撞，甚至影響機床整 體性能。目前常用的刀具軌跡規劃方法生成的刀軌與曲面模型本身有一定差距，由于曲面變化復雜 還會出現加工軌跡分段不斷退刀的問題，從而降低加工效率。五軸加工中還要考慮機床本身的動力 學特點，避免運動軌跡突變和不連續造成不斷退刀，對加工表面質量和機床本身性能造成影響。

五軸機床刀軸矢量規劃不合理還容易在實際加工中產生非線性誤差，而造成加工表面誤差過 大。現有的控制方法主要通過分析五軸機床加工時各軸的運動姿態，通過綜合二維投影下的弦高誤 差和旋轉帶來的誤差，在相鄰刀位點間直接插入新點來控制誤差；或建立新的坐標系，將相鄰間刀 軸矢量構成一個扇面進行線性插補來控制誤差。以上方法非線性誤差模型整體不夠準確，對旋轉軸 走刀方向垂直平面內非線性誤差考慮較少，對于曲率變化較大的模型作用不明顯，控制方法效果差。 因此亟需一種在空間上直接控制旋轉誤差角的球形刀刀軸矢量規劃方法，并滿足復雜曲面加工的精 度要求。

發明內容

為了能夠滿足五軸加工中刀具軌跡規劃在精度方面的要求，特別是旋轉軸運動，本發明提出了 一種五軸加工中球形刀刀軸矢量規劃方法。該方法利用三角網格的幾何特點，將復雜曲面網格化后 提取刀觸點和該點所屬切平面的法向矢量，通過空間旋轉后轉化為球形刀刀軸矢量，并通過控制加 工中刀軸旋轉的非線性誤差，該方法簡單易操作，滿足復雜曲面加工的精度要求。

一種五軸加工中球形刀刀軸矢量規劃方法，包括如下步驟：

(1)將復雜曲面整體分割成三角網格。三角網格化的弦高誤差δ和角度誤差β由該復雜曲面的加工 精度決定，通常設定0.02mm≤δ≤0.04mm，0.5°≤β≤2.5°。確定每一個三角網格T_j的三個頂 點A_j、B_j、C_j的位置坐標，及三條邊A_jB_j、B_jC_j、A_jC_j所代表的線性方程。

(2)采用等距螺旋線的走刀方式確定所有刀觸點的空間坐標P_i(x_i,y_i,z_i)，其中x_i、y_i、z_i為坐標P_i在X、 Y、Z軸上的坐標，相鄰刀觸點P_i之間距離由球形刀刀具半徑和加工精度確定。

(3)通過計算刀觸點P_i與三角網格三個頂點A_j、B_j、C_j間向量的叉積，來確定刀觸點P_i所屬的三角 形網格坐標及其在該三角形網格中的位置，并根據P_i在三角形中位置分為三類：①刀觸點P_i在三 角網格內；②刀觸點P_i在三角網格頂點上；③刀觸點P_i在三角網格邊上。