專利名稱：基于球頭銑削加工的工件三維表面形貌的仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超精密加工領(lǐng)域，具體為一種工件三維表面形貌的建模及仿真方法， 尤其適用于采用超精密球頭銑刀加工的工件。
背景技術(shù)：
隨著國防、航空航天、能源、醫(yī)療、光學元器件等技術(shù)和相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，越來越多的基礎(chǔ)裝備對一些關(guān)鍵零部件如宇航陀螺，計算機磁鼓、磁盤，多面棱鏡，大直徑非球面鏡， 以及復雜形狀的立體棱鏡等提出了更高的要求。這類元器件對加工精度、表面粗糙度和三維表面形貌分布要求極高，使用常規(guī)的磨削、研磨、拋光等方法進行加工，不但加工成本很高，而且難以同時滿足精度和表面粗糙度的要求，普通機床更是難以滿足如此高的加工要求，必須采用超精密機床才能夠完成加工。目前在加工三維表面形貌的質(zhì)量成為制造業(yè)關(guān)注熱點的形勢下，各個部門及研究機構(gòu)對超精密加工零件的表面形狀精度、波紋度、即表面粗糙度等三維表面形貌的要求越來越高，相關(guān)研究也在不斷進行。
近半個多世紀以來，研究人員不斷的嘗試通過評定工件的三維表面形貌來指導加工工藝的形成過程來滿足加工要求，試圖找到三維表面形貌形成與加工策略及加工參數(shù)的關(guān)系，從而有效的對工件三維表面形貌的形成過程在一定程度上進行控制。目前對三維表面形貌的研究主要從兩個方面進行1)實驗測量工件三維表面形貌；幻理論預測工件三維表面形貌。雖然從這兩個角度出發(fā)對三維表面形貌形成機理以及三維表面形貌評定的研究已經(jīng)取得了一定成果，但是缺陷和問題仍然存在，問題主要集中在測量結(jié)果分析和三維表面形貌算法上。由于工件三維表面形貌的測量結(jié)果主要是對工件表面質(zhì)量的評定，所以不能清楚表征加工參數(shù)以及加工策略對三維表面形貌的影響，仍主要出于定性分析。
在超精密車削表面形貌建模方面，國內(nèi)外做了較多工作。如香港理工大學的李榮彬教授，加拿大的P. A. Meyer等，天津大學的陳東祥對超精密磨削的表面形貌建模進行了研究。但在超精密銑削加工表面形貌建模方面，研究較少。在球頭銑削普通加工表面形貌仿真方面，很多學者也進行了研究，如西北工大的譚剛，山東大學的張孝峰等。但其針對的對象均是普通銑削加工，不能滿足超精密銑削加工中的高精度或者在保證高精度時計算時間過長等問題。該方法從材料去除角度描述表面形貌生成過程，并且根據(jù)該過程進行切削力分析，但在計算交點過程中刀刃每變換一次空間位置就需要計算一組交點，計算量較大。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于超精密球頭銑刀加工的工件三維表面形貌建模及仿真方法。通過對刀刃在加工過程中的運動學描述，將三維表面形貌用離散點云數(shù)據(jù)表達。根據(jù)加工曲面信息和采樣點數(shù)目對仿真區(qū)域進行劃分并建立隨動包容盒，對包容盒內(nèi)點云數(shù)據(jù)進行數(shù)值分析和空間變換，從而獲取加工三維表面形貌。本方法解決了以往三維表面形貌仿真方法中計算精度低的缺點，非常適合于高精度的超精密加工，而且在高精度的要求下，仍能保持不錯的計算效率。
一種工件三維表面形貌的建模及仿真方法，具體過程如下
(—)在加工表面上選取任意區(qū)域(u，ν)作為仿真區(qū)域，其中，U、ν為參數(shù)域， u e
, ν e
。
( 二 )根據(jù)仿真區(qū)域邊界信息，選取已有加工刀具路徑中影響仿真區(qū)域表面形貌的刀位點作為三維表面形貌仿真的刀位點，并記錄每行刀路的行數(shù)以及刀路的起始刀位點。
(三)以步驟(二)所選取的刀位點作為運動節(jié)點，根據(jù)刀刃運動形成三維表面形貌掃掠點云模型。刀位軌跡中任意位置的刀刃掃掠點云模型表達式為
[Bi;i] = [B0;i]xT1(t1, N，0)xT2(tl, p0，Pl，f)
其中，Btl為刀具坐標系{TCS}下刀具靜態(tài)刃部離散點坐標矩陣，Bi為工件坐標系 {WCS}下刀具運動后的刀刃離散點坐標矩陣，T1 (t，N, θ )為刀具坐標系下繞自身Z軸旋轉(zhuǎn)的4X4變換矩陣，T2(t，p0, Pl, f)為刀具坐標系相對于工件坐標系平移的4X4變換矩陣， 、為從P(1點運動到P(1、P1點之間任意點Pi所經(jīng)歷時間，N為刀具轉(zhuǎn)速，θ為初始切入相位角，f為刀具進給速度，P0為三維表面形貌仿真起始刀位點，P1為三維表面形貌仿真的終止刀位點；
將影響仿真區(qū)域所有刀位點產(chǎn)生的刀刃離散點云Bi疊加在一起就構(gòu)成了仿真區(qū)域刀刃掃掠點云模型。
(四)三維表面形貌控制點提取
設(shè)定仿真區(qū)域三維表面形貌采樣點數(shù)Pu、Pv，其中？11為U向采樣數(shù)目，Pv為ν向采樣數(shù)目，進而對仿真區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，生成網(wǎng)格節(jié)點Ptart (m, η)，其中m、n為整數(shù)且m e [1，Pu-I]，η e [1，pv-l]；
三維表面形貌的表征是由Pkn。t(m，η)節(jié)點處的表征點Ps(m，η)來控制。在仿真區(qū)域網(wǎng)格上建立包容盒，包容盒邊界方向與節(jié)點PtartOiun)在加工曲面處法失方向平行，包容盒邊界與對應網(wǎng)格邊界相同，根據(jù)此包容盒對步驟(三)中仿真區(qū)域刀刃掃掠點云模型進行篩選，并找出篩選點中離網(wǎng)格距離最近點作為該網(wǎng)格區(qū)域三維表面形貌表征點Ps(m，η)。
最后根據(jù)上述方法遍歷仿真區(qū)域網(wǎng)格實現(xiàn)仿真區(qū)域上三維表面形貌控制點的提取，并最終得到工件表面的三維表面形貌；
本發(fā)明以三維表面形貌生成機理及多軸數(shù)控加工理論為基礎(chǔ)，建立了一種結(jié)合加工工藝參數(shù)、刀具運動策略以及刀具模型的工件三維表面形貌仿真模型，該模型充分考慮到了機床運動、刀具運動以及三維表面形貌生成的關(guān)系；并在此基礎(chǔ)之上建立了一種獨立于機床結(jié)構(gòu)的三維表面形貌仿真算法，能夠很好的表征超精密球頭銑刀加工條件下工件三維表面形貌特征。
本發(fā)明根據(jù)已設(shè)計好的刀具路徑及工藝參數(shù)加工出的工件，通過表面輪廓測量儀對其表面進行測量獲得三維表面形貌測量值，然后利用本發(fā)明中的仿真方法對其加工表面進行仿真，并最終與實驗測量值進行對比，能夠很好的表征工件三維表面形貌的各個特征。 本發(fā)明充分考慮了機床加工參數(shù)以及刀具運動策略對三維表面形貌的影響，可以根據(jù)已有的刀具路徑和加工參數(shù)對工件三維表面形貌進行建模及仿真，為工藝人員提供優(yōu)化加工參數(shù)和刀具運動策略的方法和手段。
E1, E2, E3和&分別為仿真區(qū)域(u，ν)的四條邊界曲線。
由于刀位點在刀位點偏置面上，而目前的邊界是在加工曲面上選取的，所以需要對該邊界進行相應偏置計算才可以作為選題三維表面形貌建模刀位點的條件。偏置方向為邊界上各點在加工曲面上該點的曲面法失方向，偏置距離為刀具半徑R，故有
權(quán)利要求
1.一種工件三維表面形貌的建模及仿真方法，包括如下步驟(一)在加工表面上選取任意區(qū)域(U，ν)作為仿真區(qū)域，并根據(jù)所設(shè)定的仿真區(qū)域邊界選取刀位文件中影響該仿真區(qū)域內(nèi)三維表面形貌生成的刀位點，其中，U、V為參數(shù)域， U e
, V e
；(二)根據(jù)提取出的刀位點，建立仿真區(qū)域刀刃掃掠點云模型，刀位軌跡中任意位置的刀刃掃掠點云模型表達式為[β,; ] = [β0; ]χΓ1( 1, N，0)xT2(ti, Po, Pl, f)其中，Btl為刀具坐標系{TCS}下刀刃離散點坐標；Bi*刀具在平移和繞自身Z軸旋轉(zhuǎn)后，刀刃離散點在工件坐標系中的坐標；!\(、，隊Θ)為刀具坐標系下繞Z軸旋轉(zhuǎn)的4X4階旋轉(zhuǎn)矩陣；T2 (ti; p0, Pl, f0)為刀具坐標系相對于工件坐標系的4X4階平移矩陣A為從P(l 點運動到Ρ(1、Ρι點之間任意點Pi所經(jīng)歷時間；N為刀具轉(zhuǎn)速，θ為初始切入時的刀刃相位角，P0為三維表面形貌仿真起始刀位點坐標，P1為三維表面形貌仿真的終止刀位點坐標，f 為刀具進給速度；對影響仿真區(qū)域所有刀位點產(chǎn)生的刀刃離散點云Bi疊加在一起就構(gòu)成了仿真區(qū)域刀刃掃掠點云模型；(三)提取三維表面形貌控制點，獲得工件三維表面形貌(1)根據(jù)仿真區(qū)域刀刃掃掠點云模型，提取出影響最終表面形貌的點云集合Bexteart；(2)設(shè)定仿真區(qū)域三維表面形貌采樣點數(shù)pu、pv，其中Pu為u向采樣數(shù)目，Pv為ν向采樣數(shù)目，進而對仿真區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，生成網(wǎng)格節(jié)點Ptart (m, η)，其中m、n為整數(shù)且
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工件三維表面形貌的建模及仿真方法，其特征在于，上述步驟(二)中刀刃掃掠點云模型的建立過程如下(1)根據(jù)工件加工的刀位軌跡、加工參數(shù)以及每行刀路的初始相位角，確定刀位軌跡上任意位置的刀刃相位角；(2)根據(jù)加工參數(shù)、影響仿真區(qū)域的刀位點和任意位置的刀刃相位角，利用刀具平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣即可獲得刀刃掃掠點云模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的一種基于球頭銑刀超精密三軸銑削加工的工件三維表面形貌仿真方法，其特征在于，所述刀具變換矩陣包括刀具旋轉(zhuǎn)矩陣T1Ui, N，θ )和刀具平移矩陣T2U^ptl, Pl，f)分別為
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的一種基于球頭銑刀超精密三軸銑削加工的工件三維表面形貌仿真方法，其特征在于，上述步驟(三)中，提取出影響最終表面形貌的點云集合 Braiteart具體為對仿真區(qū)域(u，ν)進行偏置，形成偏置面Ssim。ff (u，ν)，其中偏置量為切削深度，根據(jù)(u，ν)和Ssim。ff(u，ν)提取出位于這兩個曲面之間的刀刃掃掠點點云集合DDextract °
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的一種基于球頭銑刀超精密三軸銑削加工的工件三維表面形貌仿真方法，其特征在于，所述步驟(三)中，找出其中離網(wǎng)格距離最近的點作為該網(wǎng)格區(qū)域三維表面形貌的表征點Ps (m，η)的具體過程為首先，以PtartOii, η)結(jié)點處加工曲面法失、u向切失、ν向切失和點Pkn。t(m，η)建立坐標系{R(m，η)}，其中坐標系{R(m，n)}下的一組基可表示為
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于超精密球頭銑刀加工的工件三維表面形貌建模及仿真方法，首先提取影響仿真三維表面形貌生成的刀位點，根據(jù)提取刀位點并結(jié)合刀具在加工過程中的運動學模型建立刀刃掃掠點云模型，然后設(shè)定仿真區(qū)域范圍內(nèi)三維表面形貌采樣點，最終形成仿真區(qū)域內(nèi)工件三維表面形貌。本發(fā)明建立了刀具參數(shù)、加工策略、加工參數(shù)與工件三維表面形貌的關(guān)系，能夠清晰地表征超精密加工條件下的三維表面形貌，進而可實現(xiàn)基于工件三維表面形貌的工藝參數(shù)優(yōu)化。
文檔編號B23C3/00GK102490081SQ20111035957
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者吳警, 彭芳瑜, 方正隆, 李斌, 閆蓉 申請人:華中科技大學