基于刀具矢量插补的五轴数控加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种五轴联动数控加工技术，具体的说是一种基于刀具矢量插补的五 轴数控加工方法。
【背景技术】
[0002] 数控技术是当今先进制造技术和装备中的核心技术，体现了一个国家的制造技术 水平。五轴联动数控技术是高速高精数控加工的核心技术，其加工工艺合理、效率高、工件 表面光洁度好，被广泛应用于飞机、汽车、船舶等产品的制造。
[0003] 目前已有的五轴数控加工系统多采取对进给轴进行插补，方向轴随动变化的方式 来实现刀具轨迹的控制。这种插补方式存在以下问题：首先，由于忽略了刀具矢量的变化， 无法保证加工中的刀具矢量始终在首末向量确定的平面内，实际加工中的刀尖轨迹与期望 轨迹相差较大，即产生非线性误差；其次，该方式常常伴有较大的刀具矢量变化和机床角度 变化。有研究发现，切削误差和刀具的角度变化是成一定比例的，大的刀具矢量变化会引起 较大的加工误差，严重时甚至破坏工件表面。大的角度变化还容易导致奇异点的产生，使加 工过程中进给速度变化很大，对机床产生较大冲击，使生成的数据无法在实际生产中应用。 因而该插补方式在航空结构件的侧切削以及深孔加工等方面存在很大的局限性。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术无法灵活控制加工中刀具矢量，不能满足五轴联动高速高精加工需 求，本发明要解决的技术问题是提供一种基于刀具矢量插补的五轴数控加工方法。
[0005] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于刀具矢量插补的五轴数控 加工方法，包括以下步骤：
[0006] 刀具轨迹规划：在实现刀具点位置规划的同时，对工件坐标系下的刀具矢量进行 插补计算，得到插补后的刀具轨迹方程和工件坐标系下的刀尖点值、刀具矢量；
[0007] 双NURBS曲线拟合：采用双NURBS曲线拟合方法对刀尖点和刀具轴线上第二点形 成的曲线进行拟合；
[0008] 插补计算：根据进给速度对形成的NURBS曲线进行插补，得到其在机床坐标系下 对应的各轴坐标值；
[0009] 机床运动学建模及求解：针对具体机床机构，建立相应机床运动学方程，完成两个 坐标系间的转换。
[0010] 所述对工件坐标系下的刀具矢量进行插补计算，得到插补后的刀具轨迹方程和工 件坐标系下的刀尖点值、刀具矢量，包括以下步骤：
[0011] 建立一个局部旋转坐标系Utl-V-N :
【主权项】
1. 一种基于刀具矢量插补的五轴数控加工方法，其特征在于，包括以下步骤： 刀具轨迹规划：在实现刀具点位置规划的同时，对工件坐标系下的刀具矢量进行插补 计算，得到插补后的刀具轨迹方程和工件坐标系下的刀尖点值、刀具矢量； 双NURBS曲线拟合：采用双NURBS曲线拟合方法对刀尖点和刀具轴线上第二点形成的 曲线进行拟合； 插补计算：根据进给速度对形成的NURBS曲线进行插补，得到其在机床坐标系下对应 的各轴坐标值； 机床运动学建模及求解：针对具体机床机构，建立相应机床运动学方程，完成两个坐标 系间的转换。
2. 根据权利要求1所述的基于刀具矢量插补的五轴数控加工方法，其特征在于，所述 对工件坐标系下的刀具矢量进行插补计算，得到插补后的刀具轨迹方程和工件坐标系下的 刀尖点值、刀具矢量，包括以下步骤： 建立一个局部旋转坐标系Utl-V-N :
其中，IU1为已知期望轨迹p=p (u)的首末端点处的刀轴矢量坐标，V为垂直Utl与U1 的单位向量； 在该局部旋转坐标系中对刀轴矢量与首向量间角度进行插补，插补过程中的刀具矢量 0(φ?)表示为： ο ( Φ i) =sin Φ jN+cos Φ jUq (3) 其中(pi为任意刀轴矢量〇((pi)在N-Utl平面上的投影与Utl间夹角； 为在路径参数u确定的情况下得到确定的刀具矢量，将角吶表示为u的多项式： 戎=?%) = ?Λ,〃, （4) i=〇 其值满足下式：
设（PmUtl)和（PpU1)为两相邻的刀位数据，刀具从位置Ptl (Xtl, Ytl, Ztl)到P1 (X1, Y1J1)的 运动过程由平移轴的线性插补来完成：
为使首末向量分别在U=O和1时取得，令奶=(?(1)11，代入式（3)即可确定刀具轨迹方 程； 根据式（3)，（6)得到具体u值对应的工件坐标系下的刀尖点值Pi (Xi, Yi, Zi)和刀具矢 量 O(q)i)。
3. 根据权利要求1所述的基于刀具矢量插补的五轴数控加工方法，其特征在于，所述 双NURBS曲线拟合包括以下步骤： 曲线P(U)代表刀尖点曲线，Q(U)表示在该刀尖点处沿刀具矢量方向上的任意一点，V (u)表示工件坐标系下的刀具矢量,三者满足下式：
NURBS曲线由权值，节点向量和控制点决定，为简化运算，所有权值默认为1 ;因而，双 NURBS曲线拟合模块的主要功能为确定工件坐标系下的NURBS曲线P(u)、Q(u)的节点向量 和控制点坐标： 确定参数ti和节点向量U={0, 0,…，0, U1,…，un_k, 1，1，…1}:
其中h为第i个拟合点所对应的参数值，IDi-Dp11为第i-Ι个与第i个拟合点之间的 距离； 要使曲线经过点集P (u)、Q (u)中的各点，需要满足下式：
其中Qi为已知拟合点坐标，通过上述公式可确定基函数\k(u)，进而可得到控制点集 合。
4. 根据权利要求1所述的基于刀具矢量插补的五轴数控加工方法，其特征在于，所述 插补计算包括以下步骤： 对于拟合而成的样条曲线P(U)和Q(U)，采用二阶Taylor展开式方法近似计算第i个 插补周期插补点所对应的参数值Ui,此时Ui的计算公式写为：
其中Ui、ui+1为第i和i+Ι个插补周期插补点所对应的参数值，T为数控系统插补周期， Vi和Ai为第i个插补周期的加工速度和加速度，C'（u)和C"（u)分别为期望曲线C(U)在 Ui处的一、二阶导矢量，通过其表达式计算出来；将以上各值带入上式，计算出当前插补周 期插补点所对应的参数值，将计算出的参数值代入双NURBS曲线拟合模块形成的NURBS曲 线就可以得到该时刻的刀尖点P(u i+1)和相应刀具矢量上的点Q(ui+1)。
5.根据权利要求1所述的基于刀具矢量插补的五轴数控加工方法，其特征在于，所述 机床运动学建模及求解具体为： 由工件坐标系下坐标点P(Ui)和Q(Ui)到机床坐标系下平动轴X，Y，Z和旋转轴值的转 换：
其中Ai, Ci为工件坐标系下刀轴矢量对应的机床坐标系下的旋转角度，其值由下式确 定：
其中，Uxi、Uyi与Uzi为刀轴矢量各分量坐标。
【专利摘要】本发明涉及一种五轴联动数控加工技术，具体的说是一种基于刀具矢量插补的五轴数控加工方法。本发明包括刀具轨迹规划：在实现刀具点位置规划的同时，对工件坐标系下的刀具矢量进行插补计算，得到插补后的刀具轨迹方程和工件坐标系下的刀尖点值、刀具矢量；双NURBS曲线拟合：采用双NURBS曲线拟合方法对刀尖点和刀具轴线上第二点形成的曲线进行拟合；插补计算：根据进给速度对形成的NURBS曲线进行插补，得到其在机床坐标系下对应的各轴坐标值；机床运动学建模及求解：针对具体机床机构，建立相应机床运动学方程，完成两个坐标系间的转换。本发明具有加工精度高、表面加工质量高的优点。
【IPC分类】G05B19-19
【公开号】CN104635619
【申请号】CN201310566788
【发明人】于东, 耿聪, 张函, 韩旭
【申请人】沈阳高精数控技术有限公司
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2013年11月12日