[發(fā)明專利]一種基于運(yùn)動(dòng)旋量的五軸加工刀具包絡(luò)面計(jì)算方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011260641.2
• 申請(qǐng)日: 2020-11-12
• 公開（公告）號(hào): CN112464399B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 閆蓉;彭芳瑜;吳嘉偉;孫朝陽(yáng);唐小衛(wèi);朱澤潤(rùn)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/17
• 分類號(hào): G06F30/17;B23Q15/22;G06F119/14
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發(fā)明公開了一種基于運(yùn)動(dòng)旋量的五軸加工刀具包絡(luò)面計(jì)算方法，屬于銑削加工制造領(lǐng)域，包括：將刀具的空間運(yùn)動(dòng)分解為刀具以固定傾角沿刀路曲線所作的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和刀具的傾角變化引起的姿態(tài)變動(dòng)，利用Frenet標(biāo)架對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)變動(dòng)建模；基于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)變動(dòng)的建模結(jié)果，對(duì)刀具的運(yùn)動(dòng)旋量進(jìn)行建模，得到刀刃微元Q在刀具坐標(biāo)系(TCS)下的運(yùn)動(dòng)旋量[V_T]；根據(jù)運(yùn)動(dòng)旋量[V_T]計(jì)算刀刃微元Q在t_i～t_i+1時(shí)間段內(nèi)做旋量運(yùn)動(dòng)的包絡(luò)面，將其離散化為包絡(luò)面點(diǎn)簇，并轉(zhuǎn)換為工件坐標(biāo)系(WCS)中刀具在t_i～t_i+1時(shí)間段內(nèi)的包絡(luò)面點(diǎn)簇；將WCS中刀具在各時(shí)間段內(nèi)的包絡(luò)面點(diǎn)簇集合起來(lái)，得到刀具的完整包絡(luò)面。本發(fā)明在復(fù)雜曲面加工工況中也能精確生成刀具運(yùn)動(dòng)包絡(luò)面。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于銑削加工制造領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于運(yùn)動(dòng)旋量的五軸加工刀具包絡(luò)面計(jì)算方法。

背景技術(shù)

刀具運(yùn)動(dòng)包絡(luò)面的精確求解是切削仿真理論的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一，可以將其應(yīng)用于碰撞干涉檢測(cè)、行距步距優(yōu)化、刀具路徑規(guī)劃和工件表面更新等方面的工作。

為了對(duì)五軸加工刀具運(yùn)動(dòng)包絡(luò)面進(jìn)行求解，常用的方法主要是數(shù)值法和解析法。數(shù)值法主要包括掃掠微分方程法、隱式建模方法、包絡(luò)理論法、雅可比降秩法等，這些方法需要求解復(fù)雜的微分方程，計(jì)算量很大。解析法可以快速求解刀具運(yùn)動(dòng)包絡(luò)面，求解精度較高，但理論推導(dǎo)公式復(fù)雜，有學(xué)者采用雙參數(shù)球族包絡(luò)理論，可以快速解析得到側(cè)銑加工刀具的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)面，但同樣存在理論推導(dǎo)公式復(fù)雜的問(wèn)題。

此外，在相關(guān)研究中刀具運(yùn)動(dòng)包絡(luò)面的求解只針對(duì)特定的工況，對(duì)于刀路彎扭或刀具姿態(tài)變化程度較大工況下刀具運(yùn)動(dòng)包絡(luò)面的求解還有待深入研究。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于運(yùn)動(dòng)旋量的五軸加工刀具運(yùn)動(dòng)包絡(luò)面計(jì)算方法，其目的在于，將運(yùn)動(dòng)旋量應(yīng)用于描述五軸加工刀具的運(yùn)動(dòng)，并考慮刀路彎扭和刀具姿態(tài)變化，以解決現(xiàn)有的刀具運(yùn)動(dòng)包絡(luò)面求解方法無(wú)法在刀路彎扭或刀具姿態(tài)變化程度較大的工況下精確計(jì)算刀具包絡(luò)面的技術(shù)問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于運(yùn)動(dòng)旋量的五軸加工刀具包絡(luò)面計(jì)算方法，包括：

將刀具的空間運(yùn)動(dòng)分解為刀具以固定傾角沿刀路曲線所作的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和刀具的傾角變化引起的姿態(tài)變動(dòng)，利用Frenet標(biāo)架對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)變動(dòng)建模，得到進(jìn)給坐標(biāo)系中刀刃微元Q在t_i時(shí)刻由于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的第一瞬時(shí)速度和由于姿態(tài)變動(dòng)產(chǎn)生的第二瞬時(shí)速度，將第一瞬時(shí)速度和第二瞬時(shí)速度之和作為進(jìn)給坐標(biāo)系中刀刃微元Q在運(yùn)動(dòng)旋量[V_F]作用下的第三瞬時(shí)速度v_F；

計(jì)算進(jìn)給坐標(biāo)系中刀刃微元Q在運(yùn)動(dòng)旋量[V_F]作用下的角速度ω_F，從而得到刀具在進(jìn)給坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)旋量[V_F]為[V_F]＝(v_F,ω_F)；將運(yùn)動(dòng)旋量[V_F]變換至刀具坐標(biāo)系下，得到刀刃微元Q在刀具坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)旋量[V_T]；

在t∈[t_i,t_i+1]的情況下，計(jì)算刀具坐標(biāo)系中刀刃微元Q在運(yùn)動(dòng)旋量[V_T]的作用下經(jīng)歷時(shí)間t后所移動(dòng)到的位置點(diǎn)坐標(biāo)，以計(jì)算刀具在t_i～t_i+1時(shí)間段內(nèi)做旋量運(yùn)動(dòng)的包絡(luò)面，將其離散化，得到刀具坐標(biāo)系中刀具在t_i～t_i+1時(shí)間段內(nèi)的包絡(luò)面點(diǎn)簇并將包絡(luò)面點(diǎn)簇轉(zhuǎn)換至工件坐標(biāo)系中，得到工件坐標(biāo)系統(tǒng)中刀具在t_i～t_i+1時(shí)間段內(nèi)的包絡(luò)面點(diǎn)簇Π_i^(WCS)；將工件坐標(biāo)系中刀具在各時(shí)間段內(nèi)的包絡(luò)面點(diǎn)簇集合起來(lái)，得到刀具在整條道路曲線上的完整包絡(luò)面。