一種基于刀具姿態(tài)漸變的加工誤差均布方法
【專利摘要】一種基于刀具姿態(tài)漸變的加工誤差均布方法，它有三大步驟：步驟一、在加工曲面上劃定一個(gè)范圍作為刀具姿態(tài)的漸變區(qū)域；步驟二、在漸變區(qū)域等間距采樣幾行刀軌，每行刀軌等間隔采樣預(yù)定數(shù)目的刀位點(diǎn)，計(jì)算每行刀軌并確定不發(fā)生過切加工面和干涉非加工面的刀具角度，以此建立刀具角度相對(duì)于曲面參數(shù)的分段線性變化規(guī)律；步驟三、從漸變區(qū)域的一端開始逐行計(jì)算刀軌，直至刀軌覆蓋整個(gè)漸變區(qū)域，每行刀軌的初始刀具角度由步驟二定義的規(guī)律得到，如果刀具過切加工面或者干涉非加工面，則通過調(diào)整刀具角度來避免。本發(fā)明在金屬切削加工【技術(shù)領(lǐng)域】里具有較好的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種基于刀具姿態(tài)漸變的加工誤差均布方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)控加工中的一種基于刀具姿態(tài)漸變的加工誤差均布方法，尤其涉及一種通過刀具姿態(tài)漸變實(shí)現(xiàn)加工誤差均布的刀軌生成方法。屬于金屬切削加工【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]在曲面加工過程中，不同區(qū)域最優(yōu)的刀具姿態(tài)不同，相鄰兩行刀軌刀具姿態(tài)的較大差異會(huì)影響兩行刀軌的銜接質(zhì)量。在刀具姿態(tài)基本保持一致的情況下，加工出的表面比較光滑，誤差分布均勻。若刀具的外形輪廓比較粗糙，比如電鍍砂輪的砂粒分布不均勻，或者刀具切削刃磨損，兩行刀軌刀具姿態(tài)的不同會(huì)導(dǎo)致實(shí)際參與切削的切削刃的變化；另外不同的刀具姿態(tài)下機(jī)床的位置不同，尤其是旋轉(zhuǎn)軸的位置不同，這樣機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度對(duì)加工誤差的影響缺乏一致性，因此兩行刀軌銜接的位置可能會(huì)出現(xiàn)“臺(tái)階”，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。
[0003]現(xiàn)有的CAM軟件一般采用定角度的加工方法，在加工不同區(qū)域的時(shí)候需要根據(jù)不發(fā)生過切和避免干涉非加工面來決定刀具的姿態(tài)角，這樣在相鄰區(qū)域的銜接位置就可能出現(xiàn)“臺(tái)階”。不同的刀具定位算法定位方式不太一樣，但基本都包含了兩個(gè)角度，分別是俯仰角和偏航角。因此，刀具姿態(tài)的漸變是指俯仰角和偏航角的漸變。
[0004]綜上，在刀軌規(guī)劃中實(shí)現(xiàn)刀具姿態(tài)的漸變具有很重要的工程意義。本專利申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N基于刀具姿態(tài)漸變的加工誤差均布方法，它可以通過刀具姿態(tài)角的漸變實(shí)現(xiàn)加工誤差的均勻分布并避免與非加工面的干涉。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]1、目的:本發(fā)明的目的是提供一種基于刀具姿態(tài)漸變的加工誤差均布方法，它通過在兩個(gè)加工區(qū)域之間刀軌姿態(tài)角的漸變實(shí)現(xiàn)加工誤差的均布，同時(shí)避免刀具過切加工面和干涉非加工面。
[0006]2、技術(shù)方案:本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。
[0007]本發(fā)明一種基于刀具姿態(tài)漸變的加工誤差均布方法，它主要包括以下步驟:
[0008]步驟一、在加工曲面上劃定一個(gè)范圍作為刀具姿態(tài)的漸變區(qū)域。
[0009]步驟二、在漸變區(qū)域等間距采樣幾行刀軌，每行刀軌等間隔采樣預(yù)定數(shù)目的刀位點(diǎn)，計(jì)算每行刀軌并確定不發(fā)生過切加工面和干涉非加工面的刀具角度，以此建立刀具角度相對(duì)于曲面參數(shù)的分段線性變化規(guī)律。
[0010]步驟三、從漸變區(qū)域的一端開始逐行計(jì)算刀軌，直至刀軌覆蓋整個(gè)漸變區(qū)域，每行刀軌的初始刀具角度由步驟二定義的規(guī)律得到，如果刀具過切加工面或者干涉非加工面，則通過調(diào)整刀具角度來避免。
[0011]其中，在步驟一中所述的“劃定一個(gè)范圍作為刀具姿態(tài)的漸變區(qū)域”是指:在凹面與凸面的過渡區(qū)域或者刀具與工裝容易干涉的曲面區(qū)域，固定的刀具姿態(tài)容易導(dǎo)致該區(qū)域與鄰接區(qū)域的銜接出現(xiàn)“臺(tái)階”現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致刀具與工裝等非加工面產(chǎn)生干涉，因此要把該區(qū)域獨(dú)立劃分出來作為刀具姿態(tài)的漸變區(qū)域，在其中規(guī)劃刀具姿態(tài)逐行漸變的刀軌，以實(shí)現(xiàn)該區(qū)域與相鄰區(qū)域的平滑銜接并避免干涉。
[0012]其中，在步驟二中所述的“在漸變區(qū)域等間距采樣幾行刀軌”是指:以參數(shù)曲面的加工為例，漸變區(qū)域的兩端邊界均為曲面某個(gè)方向U向或V向)的等參數(shù)線，已知漸變區(qū)域左右兩邊相鄰區(qū)域的刀具角度。在兩條邊界等參數(shù)線之間，按照給定的參數(shù)間隔在曲面上取預(yù)定數(shù)量的等參數(shù)線，將包括邊界等參數(shù)線在內(nèi)的所有等參數(shù)線作為刀軌驅(qū)動(dòng)線，按給定的參數(shù)步長把每條刀軌驅(qū)動(dòng)線離散成一系列的刀軌驅(qū)動(dòng)點(diǎn)。
[0013]其中，在步驟二中所述的“計(jì)算每行刀軌并確定不發(fā)生過切加工面和干涉非加工面的刀具角度”方法如下:計(jì)算每行刀軌是指在每行刀軌的驅(qū)動(dòng)線的每個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)上完成刀具定位，即確定刀具在該驅(qū)動(dòng)點(diǎn)上的俯仰角和偏航角。以漸變區(qū)域左右兩條邊界參數(shù)線和左右相鄰區(qū)域的刀具角度初步建立刀具角度相對(duì)于曲面參數(shù)從左向右漸變的線性規(guī)律，計(jì)算每行采樣刀軌時(shí)，該刀軌的初始刀具角度由該刀軌驅(qū)動(dòng)線的參數(shù)插值得到，當(dāng)發(fā)生過切時(shí)需要增大刀具的俯仰角到臨界狀態(tài)。計(jì)算結(jié)束后判斷是否在計(jì)算過程中發(fā)生過切而增大了俯仰角，若是則取該行刀軌的最大俯仰角重新計(jì)算該行刀軌后判斷是否與非加工面發(fā)生干涉，否則直接判斷刀軌是否與非加工面發(fā)生干涉，在發(fā)生干涉的情況下，要以刀軌的俯仰角和偏航角為初始值，根據(jù)干涉面的空間位置調(diào)整刀具角度來避免干涉，但是為防止過切加工面，不能讓調(diào)整之后的俯仰角小于當(dāng)前的俯仰角。
[0014]其中，在步驟二中所述的“建立刀具角度相對(duì)于曲面參數(shù)的分段線性變化規(guī)律”是指:以曲面參數(shù)為自變量，俯仰角和偏航角為函數(shù)值，以采樣刀軌驅(qū)動(dòng)線的參數(shù)位置和對(duì)應(yīng)刀軌的俯仰角和偏航角為節(jié)點(diǎn)，分別構(gòu)造刀具俯仰角和偏航角相對(duì)于曲面參數(shù)的分段線性變化曲線。
[0015]其中，在步驟三中所述的“從漸變區(qū)域的一端開始逐行計(jì)算刀軌，直至刀軌覆蓋整個(gè)漸變區(qū)域”是指:以漸變區(qū)域的一端邊界參數(shù)線為刀軌驅(qū)動(dòng)線生成第一行刀軌，然后接著生成后續(xù)刀軌并保證相鄰兩行刀軌之間的殘留高度小于給定公差，直到整個(gè)漸變區(qū)域被加工完為止。
[0016]其中，在步驟三中所述的“每行刀軌的初始刀具角度由步驟二定義的規(guī)律得到”是指每行刀軌的初始刀具角度由該行刀軌驅(qū)動(dòng)線的參數(shù)位置插值步驟二中定義的分段線性變化曲線得到。所述的“如果刀具過切加工面或者干涉非加工面，則通過調(diào)整刀具角度來避免”的方法與步驟二中所述的“計(jì)算每行刀軌并確定不發(fā)生過切加工面和干涉非加工面的刀具角度”方法完全一致，即計(jì)算采樣刀軌時(shí)對(duì)于過切和干涉的處理方法在逐行計(jì)算所有刀軌時(shí)同樣適用，因此不再重述。
[0017]3、優(yōu)點(diǎn)和功效:
[0018]對(duì)于曲面上不同加工區(qū)域刀軌的刀具姿態(tài)角差距過大的情況，本發(fā)明提供了一種基于刀具姿態(tài)漸變的加工誤差均布方法，避免了相鄰區(qū)域的刀軌在銜接位置出現(xiàn)“臺(tái)階”現(xiàn)象并避免了刀具和非加工面的干涉。定義了刀軌漸變區(qū)域中刀具角度相對(duì)于曲面參數(shù)的分段線性變化規(guī)律，由刀軌驅(qū)動(dòng)線的參數(shù)位置插值確定刀軌的初始刀具角度，通過調(diào)整刀具角度來避免過切和與非加工面的干涉，逐行計(jì)算刀軌直至覆蓋漸變區(qū)域。本專利的意義在于通過刀具姿態(tài)漸變實(shí)現(xiàn)了加工誤差的均布，同時(shí)避免了過切加工面和干涉非加工面。
【專利附圖】

【附圖說明】[0019]圖1為刀具定位不意圖，其中的符號(hào)說明如下:
[0020]U0, V0一曲面的等參數(shù)線,走刀方向沿著等參數(shù)線Vci
[0021]P。一曲面上的定位點(diǎn)
[0022]η—為P。點(diǎn)的單位法向量
[0023]a一P0點(diǎn)沿著等參數(shù)線Vci的單位切矢量，
[0024]τ — τ =aXn, ( τ , a, η)為在點(diǎn)P。建立的局部坐標(biāo)系,繞η旋轉(zhuǎn)的角度為偏航角，繞τ旋轉(zhuǎn)的角度為俯仰角
[0025]圖2為參數(shù)平面內(nèi)漸變區(qū)域的劃分示意圖。以沿著u向走刀來舉例說明，刀軌沿著V參數(shù)方向排列。其中的符號(hào)說明如下:
[0026]umin, umax, vmin, Vmax—曲面加工區(qū)域的參數(shù)范圍，分別為u向和V向最小最大值
[0027]Vs, νε—刀軌漸變區(qū)域的起始位置和結(jié)束位置的參數(shù)
[0028]圖3為根據(jù)采樣刀軌建立的刀具角度分段線性曲線。以沿著U向走刀來舉例說明，刀軌沿著V參數(shù)方向排列。將采樣刀軌的俯仰角和偏航角分別依次連接起來(如圖所示)，構(gòu)成偏航角分段線性曲線和俯仰角分段線性曲線。計(jì)算某行刀軌時(shí)，由刀軌的驅(qū)動(dòng)線參數(shù)Vi插值可以得到對(duì)應(yīng)的偏航角和俯仰角作為刀具角度初值。圖中符號(hào)說明如下。
[0029]Vs, Ve—刀軌漸變區(qū)域的起始位置和結(jié)束位置的參數(shù)
[0030]Vi—第i行刀軌驅(qū)動(dòng)線的參數(shù)位置
[0031]圖4為采樣刀軌的計(jì)算流程圖。圖中符號(hào)說明如下。
[0032]供一刀具的偏航角
[0033]Θ —刀具的俯仰角
[0034]Λ—為簡化表示而用的符號(hào)，可以代表俯仰角或者偏航角
[0035]科，件一漸變區(qū)域兩端邊界參數(shù)線對(duì)應(yīng)刀軌的偏航角
[0036]Θ s, Θ e—漸變區(qū)域兩端邊界參數(shù)線對(duì)應(yīng)刀軌的俯仰角
[0037]Vs, νε—刀軌漸變區(qū)域的起始位置和結(jié)束位置的參數(shù)
[0038]Vi—第i行刀軌驅(qū)動(dòng)線的參數(shù)位置
[0039]Θ.%—第i行刀軌第j個(gè)刀位的初始俯仰角和偏航角
[0040]i行刀軌第j個(gè)刀位的臨界俯仰角
[0041]Θ 一第i行刀軌某些刀位發(fā)生過切后將其俯仰角增大到臨界俯仰角，然后比較
該行所有JJ1K#到的俯仰角的最大值
[0042]Nsani—采樣刀軌的數(shù)目
[0043]η—每行采樣刀軌的刀位數(shù)，或者采樣刀軌驅(qū)動(dòng)線上離散的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)數(shù)
[0044]圖5為不帶干涉面的某葉片曲面。該葉片曲面分為葉背、葉盆及前緣和后緣四個(gè)部分，前后緣為連接葉盆和葉背的圓弧過渡部分。在該圖中默認(rèn)走刀方向?yàn)槿~身長度方向，選擇后緣中間到葉盆中間的區(qū)域?yàn)闈u變區(qū)域。
[0045]圖6為后緣易被夾具體干涉的某葉片工裝。圖中選擇后緣中間到葉背中間的區(qū)域?yàn)闈u變區(qū)域，默認(rèn)走刀方向?yàn)槿~身長度方向，圖中標(biāo)出了容易與刀具發(fā)生干涉的干涉面A和干涉面B。
[0046]圖7為葉盆易被夾具體干涉的某葉片工裝。圖中選擇后緣中間到葉盆中間的區(qū)域?yàn)闈u變區(qū)域，默認(rèn)走刀方向?yàn)槿~身長度方向，圖中標(biāo)出了容易與刀具發(fā)生干涉的干涉面A和干涉面B。
[0047]圖8為本發(fā)明流程框圖【具體實(shí)施方式】
[0048]見圖8，本發(fā)明提供一種基于刀具姿態(tài)漸變的加工誤差均布方法，以某葉片曲面的加工為例，具體實(shí)施步驟如下:
[0049]設(shè)沿著U參數(shù)線方向走刀，刀軌排列的方向沿著參數(shù)V增大的方向。曲面上要加工的參數(shù)域?yàn)?(Unlin, Vmin), (Unlax, νΜΧ))。
[0050]步驟一:在曲面上劃定一個(gè)范圍作為刀軌漸變區(qū)域。如圖2所示，將曲面的加工區(qū)域分為刀軌漸變區(qū)域(Vs, Ve)和左右兩個(gè)鄰接區(qū)域(Vmin, Vs)和(Vs, Vmax)O
[0051]該步驟中的參數(shù)說明:umin，umax, vmin, Vmax—曲面加工區(qū)域的參數(shù)范圍，分別為u向和V向最小最大值，Vs, Ve—刀軌漸變區(qū)域的起始位置和結(jié)束位置的參數(shù)。
[0052]步驟二:在漸變區(qū)域中等間隔采樣Nsam行刀軌，每行刀軌采樣η個(gè)刀位。
[0053]第i行刀軌的驅(qū)動(dòng)線參數(shù)為Vi=Vs+(Ve-Vs) (1-1)/(Nsam-1)。第j個(gè)刀位對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)參數(shù)為 UiJ=UmiZ(Umax-Umin) (j-l)/(n-l),其中 I≤ j ≤η。
[0054]計(jì)算采樣刀軌就是在每個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)(Uu，Vi)上進(jìn)行刀具定位，通常情況下刀具定位有偏航角和俯仰角兩個(gè)角度，刀具定位的示意圖見圖1。
[0055]刀軌計(jì)算的流程如下:
[0056](I)分別以vs、ve為刀軌驅(qū)動(dòng)參數(shù)線，通過試算分別生成漸變區(qū)域左右兩條邊界刀軌，分別得到不發(fā)生過切和干涉的俯仰角es，0e和偏航角科，件。由于這兩條刀軌與漸變區(qū)域的相鄰區(qū)域毗鄰，因此也可以直接采用相鄰區(qū)域算好的刀具角度。
[0057](2)由(I)中漸變區(qū)域邊界刀軌的俯仰角和偏航角建立線性函數(shù)如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于刀具姿態(tài)漸變的加工誤差均布方法，其特征在于:它包括以下步驟: 步驟一、在加工曲面上劃定一個(gè)范圍作為刀具姿態(tài)的漸變區(qū)域； 步驟二、在漸變區(qū)域等間距采樣幾行刀軌，每行刀軌等間隔采樣預(yù)定數(shù)目的刀位點(diǎn)，計(jì)算每行刀軌并確定不發(fā)生過切加工面和干涉非加工面的刀具角度，以此建立刀具角度相對(duì)于曲面參數(shù)的分段線性變化規(guī)律； 步驟三、從漸變區(qū)域的一端開始逐行計(jì)算刀軌，直至刀軌覆蓋整個(gè)漸變區(qū)域，每行刀軌的初始刀具角度由步驟二定義的規(guī)律得到，如果刀具過切加工面或者干涉非加工面，則通過調(diào)整刀具角度來避免。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于刀具姿態(tài)漸變的加工誤差均布方法，其特征在于:步驟一中所述的“劃定一個(gè)范圍作為刀具姿態(tài)的漸變區(qū)域”是指:在凹面與凸面的過渡區(qū)域或者刀具與工裝容易干涉的曲面區(qū)域，固定的刀具姿態(tài)容易導(dǎo)致該區(qū)域與鄰接區(qū)域的銜接出現(xiàn)“臺(tái)階”現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致刀具與工裝非加工面產(chǎn)生干涉，因此要把該區(qū)域獨(dú)立劃分出來作為刀具姿態(tài)的漸變區(qū)域，在其中規(guī)劃刀具姿態(tài)逐行漸變的刀軌，以實(shí)現(xiàn)該區(qū)域與相鄰區(qū)域的平滑銜接并避免干涉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于刀具姿態(tài)漸變的加工誤差均布方法，其特征在于:步驟二中所述的“在漸變區(qū)域等間距采樣幾行刀軌”是指:以參數(shù)曲面的加工為例，漸變區(qū)域的兩端邊界均為曲面u向或V向的等參數(shù)線，已知漸變區(qū)域左右兩邊相鄰區(qū)域的刀具角度；在兩條邊界等參數(shù)線之間，按照給定的參數(shù)間隔在曲面上取預(yù)定數(shù)量的等參數(shù)線，將包括邊界等參數(shù)線在內(nèi)的所有等參數(shù)線作為刀軌驅(qū)動(dòng)線，按給定的參數(shù)步長把每條刀軌驅(qū)動(dòng)線離散成一系列的刀軌驅(qū)動(dòng)點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于刀具姿態(tài)漸變的加工誤差均布方法，其特征在于:步驟二中所述的“計(jì)算每行刀軌并確定不發(fā)生過切加工面和干涉非加工面的刀具角度”方法如下:計(jì)算每行刀軌是指在 每行刀軌的驅(qū)動(dòng)線的每個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)上完成刀具定位，即確定刀具在該驅(qū)動(dòng)點(diǎn)上的俯仰角和偏航角，以漸變區(qū)域左右兩條邊界參數(shù)線和左右相鄰區(qū)域的刀具角度初步建立刀具角度相對(duì)于曲面參數(shù)從左向右漸變的線性規(guī)律，計(jì)算每行采樣刀軌時(shí)，該刀軌的初始刀具角度由該刀軌驅(qū)動(dòng)線的參數(shù)插值得到，當(dāng)發(fā)生過切時(shí)需要增大刀具的俯仰角到臨界狀態(tài)；計(jì)算結(jié)束后判斷是否在計(jì)算過程中發(fā)生過切而增大了俯仰角，若是則取該行刀軌的最大俯仰角重新計(jì)算該行刀軌后判斷是否與非加工面發(fā)生干涉，否則直接判斷刀軌是否與非加工面發(fā)生干涉；在發(fā)生干涉的情況下，要以刀軌的俯仰角和偏航角為初始值，根據(jù)干涉面的空間位置調(diào)整刀具角度來避免干涉，但是為防止過切加工面，不能讓調(diào)整之后的俯仰角小于當(dāng)前的俯仰角。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于刀具姿態(tài)漸變的加工誤差均布方法，其特征在于:步驟二中所述的“建立刀具角度相對(duì)于曲面參數(shù)的分段線性變化規(guī)律”是指:以曲面參數(shù)為自變量，俯仰角和偏航角為函數(shù)值，以采樣刀軌驅(qū)動(dòng)線的參數(shù)位置和對(duì)應(yīng)刀軌的俯仰角和偏航角為節(jié)點(diǎn)，分別構(gòu)造刀具俯仰角和偏航角相對(duì)于曲面參數(shù)的分段線性變化曲線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于刀具姿態(tài)漸變的加工誤差均布方法，其特征在于:步驟三中所述的“從漸變區(qū)域的一端開始逐行計(jì)算刀軌，直至刀軌覆蓋整個(gè)漸變區(qū)域”是指:以漸變區(qū)域的一端邊界參數(shù)線為刀軌驅(qū)動(dòng)線生成第一行刀軌，然后接著生成后續(xù)刀軌并保證相鄰兩行刀軌之間的殘留高度小于給定公差，直到整個(gè)漸變區(qū)域被加工完為止。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于刀具姿態(tài)漸變的加工誤差均布方法，其特征在于:步驟三中所述的“每行刀軌的初始刀具角度由步驟二定義的規(guī)律得到”是指每行刀軌的初始刀具角度由該行刀軌驅(qū)動(dòng)線的參數(shù)位置插值步驟二中定義的分段線性變化曲線得到；所述的“如果刀具過切加工面或者干涉非加工面，則通過調(diào)整刀具角度來避免”的方法與步驟二中所述的“計(jì)算每行刀軌并確定不發(fā)生過切加工面和干涉非加工面的刀具角度”方法完全一致，即計(jì)算采樣刀軌時(shí)對(duì)于 過切和干涉的處理方法在逐行計(jì)算所有刀軌時(shí)同樣適用。
【文檔編號(hào)】G05B19/404GK103529752SQ201310467081
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月9日
【發(fā)明者】陳志同, 賀英, 吳獻(xiàn)珍, 徐義平 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué), 昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司