专利名称：对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法
技术领域：
本发明涉及多轴联动数控机械加工领域，更具体地，涉及一种对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法。
背景技术：
随着航空航天，造船，汽车，能源、冶金等工业的发展，多轴联动数控加工技术正广泛地运用于高精密复杂曲面薄壁零件的加工中。在多轴联动数控加工处理过程中，可以根据零件几何形状和工艺参数合理规划出加工刀路，并生成相应刀位轨迹文件。该文件需要经过后置处理转换成为数控加工程序，才能驱动机床加工。五轴机床与三轴机床相比，增加了两个旋转轴，由此可调整任意刀轴方向以避免三轴机床加工中一些不可避免的干涉问题，但与此同时也带来了后置处理方面的问题。例如，旋转轴的转动会产生非线性误差，使得规划刀路的小线段经过后置处理走成了空间曲线，偏离了规划轨迹。目前，对规划刀路的后置处理方式都是通过插点的方式来控制非线性误差的上限。上限值越大，偏离规划轨迹越远，加工质量越差；上限值越小，插值离散的小线段越多， 机床运动轴频繁加减速，加工效率越低。当五轴机床处于奇异位置时，所规划刀路中刀轴的微量摆动，将造成机床旋转轴出现不必要的大幅旋转，此时伴随非线性误差最大化，可能产生加工路径紊乱。Knut Sorby在2006年machine tools&manufature杂志上发表论文提出了一种五轴后置处理奇异位置处理的插值方法，其通过插值使得大幅快速旋转变成了分段小幅缓慢旋转，使得奇异位置处加工变得安全，但是并没有实质上解决奇异位置大幅旋转行为，并且使得加工效率变得低下。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法，以消除局部非线性误差并避免机床奇异位置处依赖旋转轴的大幅旋转问题。按照本发明，提出了一种对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法， 该方法包括下列步骤(I)根据加工零件的几何形状和工艺参数，生成机床所采用球头刀具的刀位轨迹源文件；(2)对生成的刀位轨迹源文件依次进行逐行读取、解析并提取其刀位点位置和刀轴矢量，以及判断刀位行有无干涉锥角以确定各刀位行的锥角值的一系列操作处理，由此获得包括了刀位点位置、刀轴矢量和锥角值信息在内的锥角刀路文件，所述确定锥角值的操作具体包括以下子步骤(i)将刀位轨迹源文件中的第一行刀位的锥角值Θ 1赋值为0，同时将刀位行η赋值为2 ；(ii)计算第η行刀轴矢量[i j k]n与第n-1行刀轴矢量[i j Wlri之间的矢量夹角αη ;(iii)计算第η行刀位锥角值的上限Cax =CCn+θη-1;(iv)构建锥角值为Cax的刀锥体模型与加工模型做干涉检查，若无干涉则设定当前锥角值为W=Cax，若存在干涉，则当前锥角依比例缩小，直到满足无干涉以确定当前行锥角值θ n ;(ν)将η赋值增加1，重复上述(ii) (iv)步骤直到确定各刀位行的锥角；(3)对通过步骤(2)所获得的锥角刀路文件依次进行逐行读取，解析并提取其刀位位置、刀轴矢量和锥角，以及确定所有刀位行最优刀轴矢量的一系列操作处理，所述确定刀位行最优刀轴矢量的操作具体包括以下子步骤(a)将第一行刀位的刀轴矢量[i j k]1设定为最优刀轴矢量并计算出其对应的机床旋转轴的值，同时将刀位行η赋值为2 ；(b)计算第η行刀位的刀轴矢量[i j k]n与第n-1行已确定的刀轴矢量[i j k] μ之间的矢量夹角αη;(c)若矢量夹角a nS第η行的锥角值θ η，则将第η行刀位的最优刀轴矢量确定为[i j kr—1，并计算出其对应的机床旋转轴的值；(d)若矢量夹角αη>第η行的锥角值θη，则离散锥角θη中的刀轴矢量，并将离散后的刀轴矢量所对应的机床旋转轴的值逐一与第(η-I)行刀轴矢量所对应的机床旋转轴的值进行对比，从中选择致使旋转轴加权旋转量最小的刀轴矢量作为第η行的最优刀轴矢量；以及(e)将η赋值增加1，重复执行上述步骤(b) (d)直到确定所有刀位行的最优刀轴矢量；以及(4)根据步骤(3)中所确定的最优刀轴矢量，计算出相应的刀位点坐标，并进一步执行后置处理以获得五轴联动机床的加工路径，从而实现对机床加工路径的平滑处理。作为进一步优选地，可以在步骤(4)之后，将获得平滑处理后的加工路径输入五轴联动机床，以执行对工件的加工。通过本发明的对五轴联动机床的加工路径进行平滑处理的方法，在叶轮流道精加工时，刀轴能够平滑过渡，局部变成三轴加工，由此消除了先前数控加工程序的奇异位置机床旋转轴大幅旋转的技术问题，因而在机械加工领域能够获得大幅提闻加工效率、提闻加工精度等方面的技术效果。
图I是加工刀具的刀轴矢量偏离原有刀轴角度后绕原刀轴旋转一周，所有刀具的外轮廓所形成的刀锥体的示意图；图2是按照本发明的用于对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法流程框图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明进行具体描述。机床旋转轴的旋转分量可由CAM软件规划的刀轴矢量计算。由于机床加工与规划刀路的完全分离，传统的CAM软件并不会根据加工机床来合理规划经过后置处理以后仍然满足加工要求的前置刀位文件。为了增强机床加工路径的光顺性，将五轴自由曲面加工变成局部三轴加工以消除非线性误差，同时避免五轴机床奇异位置处依赖旋转轴的大幅旋转，本发明针对五轴机床球刀点铣加工提供了一种包括刀位点位置、刀轴矢量、锥角信息在内的锥角刀位文件，并对其后置处理生成平滑机床路径数控加工的方法。传统刀位文件刀位行格式为goto/x, y, z, i, j, k。goto/标示符后前三项数据为加工坐标系下的刀位点位置坐标[X y ζ]τ，后三项数据为其对应的刀轴矢量[i j k]T。以双摆台(A轴C轴)五轴联动机床为例，来说明如何通过优化刀轴矢量来增强机床路径的光顺性A轴为非依赖旋转轴，其旋转角度为eA，C轴轴心线随着A轴的旋转而产生空间变化为依赖轴，其旋转角度用Θ。表示。假设加工坐标系与机床坐标系方位相同，并且固定。 刀具坐标系起初与加工坐标系重合，刀轴矢量为[O O 1]τ经过两次旋转变换,变为刀位点对应刀轴矢量[i j k]T，有如下方程(Rot为旋转矩阵)
权利要求
1.一种对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法，该方法包括下列步骤(1)根据加工零件的几何形状和工艺参数，生成机床所采用的球头刀具的刀位轨迹源文件；(2)对生成的刀位轨迹源文件依次进行逐行读取、解析并提取其刀位点位置和刀轴矢量，以及判断刀位行有无干涉以确定各刀位行的锥角值的一系列操作处理，由此获得包括了刀位点位置、刀轴矢量和锥角值信息在内的锥角刀路文件，所述确定锥角值的操作具体包括以下子步骤(i)将刀位轨迹源文件中的第一行刀位的锥角值Θ1赋值为0，同时将刀位行η赋值为2 ；(ii)计算第η行刀轴矢量[ij k]n与第n-1行刀轴矢量[i j kr—1之间的矢量夹角αη；(iii)计算第η行刀位锥角值的上限Cax=αη+θη-1;(iv)构建锥角值为Cax的刀锥体模型与加工模型做干涉检查，若无干涉则设定当前锥角值为K =Cax，若存在干涉，则将刀锥体模型的锥角依比例缩小，直到满足无干涉以确定当前行锥角值θη;(ν)将η赋值增加1，重复上述(ii) (iv)步骤直到确定各刀位行的锥角；(3)对通过步骤(2)所获得的锥角刀路文件依次进行逐行读取，解析并提取其刀位位置、刀轴矢量和锥角，以及确定所有刀位行最优刀轴矢量的一系列操作处理，所述确定刀位行最优刀轴矢量的操作具体包括以下子步骤(a)将第一行刀位的刀轴矢量[ij k]1设定为最优刀轴矢量并计算出其对应的机床旋转轴的值，同时将刀位行η赋值为2 ；(b)计算第η行刀位的刀轴矢量[ij k]n与第n-1行已确定的刀轴矢量[i j Wlri之间的矢量夹角αη;(c)若矢量夹角anS第η行的锥角值θη，则将第η行刀位的最优刀轴矢量确定为[i j kr—1，并计算出其对应的机床旋转轴的值；(d)若矢量夹角an>第η行的锥角值θη，则离散锥角θη中的刀轴矢量，并将离散后的刀轴矢量所对应的机床旋转轴的值逐一与第η-I行刀轴矢量所对应的机床旋转轴的值进行对比，从中选择致使旋转轴加权旋转量最小的刀轴矢量作为第η行的最优刀轴矢量； 以及(e)将η赋值增加1，重复执行上述步骤(b) (d)直到确定所有刀位行的最优刀轴矢(4)根据步骤(3)中所确定的最优刀轴矢量，计算出相应的刀位点坐标，并进一步执行后置处理以获得五轴联动机床的加工路径，从而实现对机床加工路径的平滑处理。
2.如权利要求I所述的对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法，其特征在于，在步骤(4)之后，将获得平滑处理后的加工路径输入五轴联动机床，以执行对工件的加工。
全文摘要
本发明公开了一种对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法，包括(1)根据加工零件的几何形状和工艺参数，生成刀位轨迹源文件；(2)对源文件依次进行逐行读取、解析并提取其刀位点位置和刀轴矢量，以及判断刀位行有无干涉锥角以确定其锥角值的操作，由此获得锥角刀路文件；(3)对锥角刀路文件依次进行逐行读取，解析并提取其刀位位置、刀轴矢量和锥角，以及确定所有刀位行最优刀轴矢量的操作；以及(4)根据最优刀轴矢量计算刀位点坐标并执行后置处理以生成机床加工路径，从而实现对机床加工路径的平滑处理。通过本发明，能够使刀轴平滑过渡局部变成三轴加工，以消除局部非线性误差，并消除了奇异位置机床旋转轴大幅旋转问题，提高加工效率。
文档编号G05B19/19GK102608952SQ201110429480
公开日2012年7月25日 申请日期2011年12月19日 优先权日2011年12月19日
发明者丁汉, 代星, 熊有伦, 熊蔡华 申请人:华中科技大学