一种球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法。首先，建立刀位优化变量与刀位数据之间的关系方程，同时建立刀位数据与机床回转轴角度之间的运动变换方程，从而推导出刀位优化变量与机床回转轴角度之间的关系方程。然后，通过求解上述方程得到球头刀多轴加工复杂曲面的刀轴矢量计算公式。最后，在此基础上给出球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法。该方法能够避免加工过程中机床回转轴的大幅波动，使机床轴运动更加平稳和光滑，从而提高曲面的加工质量和加工效率，具有一定的实际应用价值。
【专利说明】一种球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多轴数控机床加工复杂曲面的编程方法，尤其涉及一种球头刀多 轴加工刀轴矢量优化方法，属于五轴数控加工机床领域。
【背景技术】
[0002] 航空发动机叶片是航空发动机的关键零件，其加工质量优劣将直接影响航空发动 机的工作性能，而叶片进排气边加工是影响整个叶片加工质量的关键因素，因此叶片进排 气边的高效精密加工对提高叶片加工质量起着十分重要作用。目前，在叶片实际生产过程 中，由于设计曲面的几何性质(如曲面的法向量、主方向、曲率等）较差，将导致所生成的五 轴加工刀轨和刀轴方向波动较大，甚至引起局部加工表面的过切。即使采用简单的五轴刀 具定位算法(如Sturz法)和球头刀加工这些区域，也会引起刀轴方向的剧烈变化，影响机床 运动的平稳性、超出机床进给轴伺服能力和增大非线性加工误差等，从而降低了叶片加工 质量和加工效率。
[0003] 现有技术中，球头刀多轴加工复杂曲面的刀轨生成方法有两种： 现有技术一，刀轴倾斜法(即Sturz法)，是在曲面刀触点处使刀具沿进给方向向前倾斜 一指定角度来进行刀具定位； 现有技术二，刀轴固定法，是通过指定具体的刀轴方向使刀具在刀触点处进行定位。
[0004] 上述现有技术至少存在以下缺点： 现有技术一的刀具定位方法严重依赖设计曲面刀触点处的几何性质(如曲面的法向 量、主方向、曲率等)，当设计曲面几何性质较差时，利用该技术生成刀具轨迹和刀轴矢量可 能存在较大的波动和突变，对机床造成冲击、超出机床进给轴速度和加速度的限制等，从而 降低曲面加工质量和加工效率；而现有技术二虽然可以避免刀轴矢量的急剧变化，但是需 要每加工完一行或几行后，再根据工件曲面的特点来重新指定新的刀轴矢量，否则将引起 刀具与工件曲面之间发生干涉，以及降低曲面加工质量和加工效率。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种能够避免多轴加工过程中回转轴剧烈波动，实现机床轴 运动更加平稳和光滑，提高曲面的加工效率和质量的球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法，该方法包括以下步骤： A、 分析摆头转台类五轴数控机床的结构特征，建立刀位优化变量与刀位数据之间的关 系方程，以及刀位数据与机床回转轴角度之间的运动变换方程，从而推导出刀位优化变量 与机床回转轴角度之间的关系方程； B、 根据工件曲面的特点和所使用多轴数控机床的具体结构特征，通过求解上述方程得 到球头刀多轴加工复杂曲面的刀轴矢量计算公式； C、 基于上述刀轴矢量计公式，给出了球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法。
[0007] 由上述发明技术方案可以看出，该方法是在机床坐标系中对刀轴矢量进行优化， 并针对工件曲面的加工特点,通过将五轴数控机床中角度变化较大的回转轴进行优化，然 后再生成无局部干涉和光滑的刀具轨迹。本发明的球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法能够 避免加工过程中回转轴的剧烈波动，使机床轴运动更加平稳和光滑，从而提高曲面的加工 效率和加工质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1为摆头转台类五轴数控机床； 图2为球头刀初步定位； 图3为五轴机床上各相关坐标系； 图4为参数域内刀轨排列的示意图。
【具体实施方式】
[0009] 本发明的球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法，以摆头转台类五轴数控机床为例进 行阐述，如图1所示，其较佳的【具体实施方式】是，包括： 步骤A、分析摆头转台类五轴数控机床的结构特征，建立刀位优化变量与刀位数据之间 的关系方程，以及刀位数据与机床回转轴角度之间的运动变换方程，从而推导出刀位优化 变量与机床回转轴角度之间的关系方程； 首先，如图2所示，建立刀位优化变量与刀位数据之间的关系方程：
【权利要求】
1. 一种球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法，其特征在于，包括以下步骤： A、 分析摆头转台类五轴数控机床的结构特征，建立刀位优化变量与刀位数据之间的关 系方程，以及刀位数据与机床回转轴角度之间的运动变换方程，从而推导出刀位优化变量 与机床回转轴角度之间的关系方程； B、 根据工件曲面的特点和所使用多轴数控机床的具体结构特征，通过求解上述方程得 到球头刀多轴加工复杂曲面的刀轴矢量计算公式； C、 基于上述刀轴矢量计公式，给出了球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法。
2. 根据权利要求1所述的一种球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法，其特征在于，步骤A 中，首先建立刀位优化变量与刀位数据之间的关系方程：
其中，为刀轴矢量，（i，义幻为工件坐标系0丄7义中的刀轴矢量（即刀位数据)， 和Cr3，_F3，z3)分别为局部坐标系各坐标轴在工件坐标系中的 单位矢量，6是绕&轴旋转的前倾角，P是绕A轴旋转的侧倾角； 然后，根据摆头转台类五轴数控机床的结构特征，建立刀位数据与机床回转轴角度之 间的运动变换方程：
其中d为五轴数控机床回转轴绕Z轴的旋转角，A为五轴数控机床回转轴绕7轴的旋 转角； 最后，推导出刀位优化变量与机床回转轴角度之间的关系方程：
上述方程描述了刀位优化变量（即^和y)与机床回转轴（即A和J)之间对应关系。
3. 根据权利要求1所述的一种球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法，其特征在于，步骤 B中，根据工件曲面的特点和所使用多轴数控机床的具体结构特征，通过对上述方程式（3) 进行求解，可以得到方程（4)和（5):
联立以上两个方程进行求解，则可推导出已知侧倾角r和回转轴i?来求解前倾角6和 相应的回转轴J的公式；再由上述所求前倾角6和给定的侧倾角F，并利用公式（2)即可确 定球头刀多轴加工复杂曲面的刀轴矢量；或由上述所求的回转轴J和给定的回转轴凡并利 用公式（3)亦可确定球头刀多轴加工复杂曲面的刀轴矢量。
4. 根据权利要求1所述的一种球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法，其特征在于，步骤C 中，首先利用Sturz算法得到一行刀轨上的采样点所对应的机床回转轴i?的数值，然后利用 三次样条函数进行插值计算从而获得其他刀触点处的i?角，再根据分析加工曲面的特点所 确定侧倾角W从而确定每个刀触点处优化的刀轴矢量和刀位点位置矢量。
5.根据权利要求4所述的一种球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法，其特征在于，所述 步骤C中，球头刀刀位点位置矢量和刀轴矢量计算公式如下：
【文档编号】G05B19/19GK104102171SQ201410314304
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】徐汝锋, 赵维平, 陈志同, 郑光明, 程祥 申请人:山东理工大学