专利名称：薄壁曲面零件加工质量缺陷区域计算方法
技术领域：
本发明属于薄壁曲面零件的制造技术领域，尤其涉及薄壁曲面零件的五坐标数控机床铣削加工技术领域。
背景技术：
五轴联动数控机床是指在一台机床上有五个坐标轴，包括三个平动坐标轴和两个旋转坐标轴，机床的各坐标轴在计算机数控系统的控制下按一定的速度同时到达某一个设定的点，协调运动进行加工，特别适用用于加工复杂曲面零件。通常薄壁曲面零件的加工质量控制最为困难，一方面数控机床坐标轴间的不同配合状态可能引起机床加工时刚度的实时变化，另一方面零件在切削力的作用下也可能引起零件的加工变形。机床和零件两方面因素叠加使得薄壁曲面零件的表面加工质量成为难点，极易引起曲面局部的表面质量缺陷，出现粗糙度、波纹度下降以及切削折痕，导致零件质量不合格，造成成本的浪费和效率 的损失。现有方法中缺少对薄壁曲面零件加工前表面质量的缺陷预测，如果能在加工零件之前根据零件特性和机床运动状态预测出零件表面质量缺陷区域，就可以在工艺实施中对于缺陷区域设定不同的加工工艺方案，保障零件的加工质量和提高零件加工的成品率。由于企业对薄壁曲面零件质量控制的需求，基于薄壁曲面零件表面质量缺陷区域的快速计算成为一技术要点。由此可在切削前预知零件加工表面质量缺陷区域，针对表面质量缺陷区域设定不同的加工工艺，从而为零件的工艺优化和精度保障提供依据。
发明内容
本发明的目的是为了快速计算五轴联动数控机床(以下简称机床)在切削零件时的加工质量缺陷区域从而提高机床加工薄壁曲面零件的表面质量，提出了一种薄壁曲面零件加工表面质量缺陷快速计算方法。本发明的技术方案薄壁曲面零件加工表面质量缺陷快速计算方法，其特征在于，包括如下步骤步骤I.产生机床铣削薄壁曲面零件的各坐标轴数控指令；步骤2 :计算产生机床加工薄壁曲面零件的刚度分布根据步骤I中得到的机床各坐标轴数控指令，计算机床铣削薄壁曲面零件过程中各坐标轴合成的刚度矩阵，将刚度矩阵沿零件法线方向投影，得到加工过程中机床的刚度分布；步骤3 :计算产生薄壁曲面零件在加工过程中自身的刚度分布；步骤4 :计算薄壁曲面零件的加工质量缺陷区域将步骤2中得到的机床铣削薄壁曲面零件过程中沿零件法线方向的刚度分布与步骤3中得到的薄壁曲面零件在不同位置处的法向刚度分布相叠加，得到加工过程中机床和薄壁曲面零件的刚度综合对比图，由此得出薄壁曲面零件的加工质量缺陷区域。本发明的有益效果本发明通过机床和薄壁曲面零件的法向刚度分布计算，产生加工过程中的机床和零件自身的刚度分布综合对比图，从而得到薄壁曲面零件加工质量缺陷区域，由此可在加工前计算出零件加工质量的缺陷区域，针对加工质量缺陷区域设定不同的加工工艺，从而为零件的工艺优化和精度保障提供依据，使薄壁曲面零件加工具备更好的精度控制效果，降低零件的加工成本，提供加工效率。
图I是发明步骤I中S形曲面零件模型及切削路径示意图。图2是本发明的机床V51030ABJ加工S形曲面刚度分布图。图3是本发明的步骤3中S曲面有限元模型示意图。图4是本发明的步骤3中S曲面在加工过程的法向变形示意图。图5是本发明的步骤3中S形曲面不同各位置处的法向刚度示意图。图6是本发明的五轴数控机床加工S形曲面刚度综合对比图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明一种薄壁曲面零件加工表面质量缺陷快速计算方法，包括如下步骤步骤I.产生机床铣削薄壁曲面零件的各坐标轴数控指令在计算机辅助制造CAM软件中创建加工零件模型，设定铣削路径，产生零件加工的前置指令(x、y、z、i、j、k)，所述前置指令中x、y和z分别代表刀具加工点的空间位移坐标，i、j、k分别代表刀具加工点的空间向量的方向，再选定机床类型后生成机床各坐标轴的数控指令，所述数控指令可以表示为(X、Y、Z、A、B)或(X、Y、Z、A、C)或(X、Y、Z、B、C)，X、Y、Z分别表示机床各坐标轴中平动轴X 、芝数控指令，A、B和C分别表示机床各坐标轴中旋转轴2、互5数控指令。本实施例中，以刀具两摆的五轴联动数控机床(型号为V51030ABJ)加工薄壁曲面零件(本实施例选择S形薄壁曲面零件为例进行说明)，如图I所示在三维建模软件(如UG)中建立薄壁零件曲面模型，设定铣削路径，产生前置指令(x、y、z、i、j、k)，生成S形薄壁曲面零件加工过程中机床各坐标轴的数控指令(X、Y、Z、A、B)。对于本领域的普通技术人员来说，由前置指令(1、7、2、1、」、10计算得到机床各坐标轴的数控指令(X、Y、Z、A、B)是一个公知过程，因此将本步骤视为现有技术而不再详细描述。步骤2 :计算产生机床加工薄壁曲面零件的刚度分布根据步骤I中得到的机床各坐标轴数控指令，计算机床铣削薄壁曲面零件过程中各坐标轴合成的刚度矩阵，将刚度矩阵沿零件法线方向投影，得到加工过程中机床的刚度分布。本步骤的具体过程包含如下步骤步骤21 :计算产生机床各坐标轴刚度组成的刚度矩阵Kjtjint,由公式I表示如下
权利要求
1.薄壁曲面零件加工质量缺陷区域计算方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤I.产生机床铣削薄壁曲面零件的各坐标轴数控指令； 步骤2 :计算产生机床加工薄壁曲面零件的刚度分布根据步骤I中得到的机床各坐标轴数控指令，计算机床铣削薄壁曲面零件过程中各坐标轴合成的刚度矩阵，将刚度矩阵沿零件法线方向投影，得到加工过程中机床的刚度分布； 步骤3 :计算产生薄壁曲面零件在加工过程中自身的刚度分布； 步骤4 :计算薄壁曲面零件的加工质量缺陷区域将步骤2中得到的机床铣削薄壁曲面零件过程中沿零件法线方向的刚度分布Kn(t)与步骤3中得到的薄壁曲面零件在不同位置处的法向刚度分布相叠加，得到加工过程中机床和薄壁曲面零件的刚度综合对比图，由此得出薄壁曲面零件的加工质量缺陷区域。
2.根据权利要求I所述的薄壁曲面零件加工质量缺陷区域计算方法，其特征在于，上述步骤2包含如下具体步骤 步骤21 :计算产生机床各坐标轴刚度组成的刚度矩阵K>int ； 步骤22 :计算产生机床三个平动轴的变换矩阵和三个旋转轴中任意两个旋转轴的变换矩阵； 步骤23 :计算机床各坐标轴到刀具加工点的变换矩阵T1, T2, T3, T4, T5 ； 步骤24 :根据步骤23中得到的变换矩阵T1, T2, T3, T4, T5,计算得到机床的Jacobi矩阵J的各元素值； 步骤25 :根据步骤21和步骤24中得到的刚度矩阵Kjtjint和Jacobi矩阵计算得到机床铣削薄壁曲面零件过程中各坐标轴合成的刚度矩阵Kj ； 步骤26 :产生机床铣削零件过程中沿零件法线方向的刚度分布。
3.根据权利要求2所述的薄壁曲面零件加工质量缺陷区域计算方法，其特征在于，上述步骤21的具体过程为计算产生机床各坐标轴刚度组成的刚度矩阵K_nt，由公式I表示如下
4.根据权利要求2所述的薄壁曲面零件加工质量缺陷区域计算方法，其特征在于，上述步骤22的具体过程为计算产生机床三个平动轴的变换矩阵和三个旋转轴中任意两个旋转轴的变换矩阵；本步骤中，Ap A2、A3分别表示三个平动轴X、F、芝的变换矩阵，可由公式3表不；A4、A5、A6表不三个旋转轴(J、5、C )的变化矩阵，可由公式4表不
5.根据权利要求2所述的薄壁曲面零件加工质量缺陷区域计算方法，其特征在于，上述步骤23的具体过程为计算机床各坐标轴到刀具加工点的变换矩阵T1, T2, T3, T4, T5 :本步骤中，T1表示由坐标轴X至刀具加工点的变换矩阵，T2表示由坐标轴F至刀具加工点的变换矩阵，T3表示由坐标轴芝至刀具加工点的变换矩阵，T4, T5表示由两个旋转坐标轴(2、云、芒中任两个)至刀具加工点的变换矩阵，可分别由公式5计算如下 T1=A1A2A3A4A5, T2=A2A3A4A5, T3=A3A4A5, T4=A4A5, T5=A5公式 5。
6.根据权利要求2所述的薄壁曲面零件加工质量缺陷区域计算方法，其特征在于，上述步骤24的具体过程为本步骤中，将步骤23中得到的变换矩阵T1, T2, T3, T4, T5中各元素值采用公式7中的统一的抽象符号表示，如T1, T2, T3, T4, T5统一抽象符号为变换矩阵1'，11!￡表不T1, T2, T3, T4, T5的第一行第一列兀素统一抽象符号，Ox表不T1, T2, T3, T4, T5的第一行第二列元素统一抽象符号，……，以此类推得到全部的统一抽象符号；
7.根据权利要求2所述的薄壁曲面零件加工质量缺陷区域计算方法，其特征在于，上述步骤25的具体过程为将步骤21和步骤24中得到的刚度矩阵Kjtjint和Jacobi矩阵J代入如下公式10，计算得到机床铣削薄壁曲面零件过程中各坐标轴合成的刚度矩阵Kj ； Kj= (J(Kjoint)-1CJ) T)—1么、式10; 公式10中，(J)T中的代表Jacobi矩阵J的转置矩阵，符号―1表示对矩阵进行求逆运笪o
8.根据权利要求2所述的薄壁曲面零件加工质量缺陷区域计算方法，其特征在于，上述步骤26的具体过程为将步骤I中得到的前置指令(x、y、z、i、j、k)代入公式11中计算零件法线方向的单位矢量IV将步骤25中得到的机床合成刚度矩阵&代入公式12中，得到机床铣削薄壁曲面零件过程中沿零件法线方向的刚度分布Kn(t)；
9.根据权利要求I所述的薄壁曲面零件加工质量缺陷区域计算方法，其特征在于，上述步骤3包括如下具体步骤 步骤31 :产生薄壁曲面零件的有限元模型在有限元分析软件中建立切削零件的几何建模； 步骤32 :计算得到薄壁曲面零件在不同位置处的法向刚度分布在有限元分析软件中计算产生薄壁曲面零件切削过程中切削力作用下的法向变形，将不同位置处加载下的零件法向变形叠加，再将变形数值求倒数，即为零件在不同位置处的法向刚度。
全文摘要
本发明涉及薄壁曲面零件加工表面质量缺陷快速计算方法。包括如下步骤1.产生机床铣削薄壁曲面零件的各坐标轴数控指令；2.计算产生机床加工薄壁曲面零件的刚度分布根据步骤1中得到的机床各坐标轴数控指令，计算机床铣削薄壁曲面零件过程中各坐标轴合成的刚度矩阵，将刚度矩阵沿零件法线方向投影，得到加工过程中机床的刚度分布；3.计算产生薄壁曲面零件在加工过程中自身的刚度分布；4.计算薄壁曲面零件的加工质量缺陷区域。本发明的有益效果通过机床和薄壁曲面零件的法向刚度分布计算，产生加工过程中的机床和零件自身的刚度分布综合对比图，从而得到薄壁曲面零件加工质量缺陷区域，针对加工质量缺陷区域设定不同的加工工艺。
文档编号G05B19/406GK102799143SQ20121030382
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者王伟 申请人:电子科技大学