本發(fā)明屬于復(fù)雜曲面零件高效銑削加工
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種以切削力波動(dòng)為約束的曲面加工刀軌規(guī)劃方法。
背景技術(shù)：
：復(fù)雜曲面零件在航空航天、汽車、船舶及模具等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。現(xiàn)今復(fù)雜曲面造型技術(shù)已較成熟，但其高質(zhì)高效加工仍是工業(yè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床為復(fù)雜曲面的加工提供了可靠途徑，也極大地提高了其加工質(zhì)量和加工效率。數(shù)控加工過程中，刀具軌跡規(guī)劃與零件的加工精度和加工效率密切相關(guān)，亦直接影響刀具壽命和機(jī)床動(dòng)態(tài)特性。合理的刀具軌跡規(guī)劃是復(fù)雜曲面高質(zhì)高效加工的重要保證，是復(fù)雜曲面數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)。林滸等人專利公告號CN103163836A的“直紋曲面刀具軌跡規(guī)劃方法”，該專利通過對直紋曲面邊界參數(shù)離散化建立初始刀具軌跡，進(jìn)而對初始刀具軌跡插補(bǔ)誤差進(jìn)行計(jì)算，最終調(diào)整形成最優(yōu)刀具軌跡。該方法僅適用于直紋曲面的加工，因此具有較大的局限性。Elber等人的文獻(xiàn)“Toolpathgenerationforfreeformsurfacemodels”，Computer-AidedDesign，2004，26(6)，490-496，該文章針對等參數(shù)線法生成的刀具軌跡冗余、過密的缺點(diǎn)，發(fā)明了具有自適應(yīng)性的優(yōu)化等參數(shù)線法，生成的刀具軌跡長度更短，提高了加工效率，然而等參數(shù)線法不適合于生成組合曲面和裁剪曲面的刀具軌跡，同時(shí)該方法未考慮加工中的切削力變化對加工質(zhì)量帶來的影響，具有一定的局限性。綜上，目前曲面加工刀具軌跡規(guī)劃相關(guān)研究僅從曲面幾何角度進(jìn)行計(jì)算，未考慮加工過程中切削力波動(dòng)等物理因素對曲面加工質(zhì)量的影響。曲面加工過程中，切削力作為重要的過程參數(shù)，切削力波動(dòng)將直接影響刀具壽命及曲面加工質(zhì)量，因此亟需一種有效的以切削力波動(dòng)為約束的曲面加工刀軌規(guī)劃方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明了一種以切削力波動(dòng)為約束的曲面加工刀具軌跡規(guī)劃方法，規(guī)劃方法中考慮加工過程中切削力波動(dòng)對復(fù)雜曲面刀具壽命、加工質(zhì)量的影響，通過對加工刀位點(diǎn)的再規(guī)劃，以相鄰刀位點(diǎn)間法向量夾角最小為基本軌跡規(guī)劃原則，綜合考慮了曲面幾何特征及刀具軌跡拓?fù)湫螤顚η邢髁Φ挠绊懀诒ＷC加工質(zhì)量的同時(shí)提高加工效率。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種以切削力波動(dòng)為約束的曲面加工刀軌規(guī)劃方法，其特征在于，該方法首先基于等殘余高度法獲得的刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)，確定最優(yōu)走刀行距和走刀步長，實(shí)現(xiàn)基于刀具位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)X、Y坐標(biāo)的刀具位置網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?；其次通過刀具位置網(wǎng)格單元平面擬合，結(jié)合相鄰關(guān)聯(lián)刀具位置網(wǎng)格單元，確定刀具位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)Z坐標(biāo)；然后基于刀具位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)及鄰域節(jié)點(diǎn)，計(jì)算刀具位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)法向量；最后以加工過程中切削力波動(dòng)小為約束，將刀具位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為刀位點(diǎn)，以相鄰刀位點(diǎn)間法向量夾角最小為基本原則規(guī)劃曲面加工刀具軌跡，實(shí)現(xiàn)曲面的高質(zhì)高效加工。方法的具體步驟如下：步驟1刀具位置網(wǎng)格單元?jiǎng)澐忠郧鎺缀翁卣鳛榛A(chǔ)，采用最小二乘平面法在初始基于等殘余高度法獲得的刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建刀具位置網(wǎng)格，以刀具位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為最終加工用刀位點(diǎn)，保證這些刀位點(diǎn)在滿足加工誤差的前提下具有最優(yōu)走刀行距和步長。刀具位置網(wǎng)格單元的側(cè)向步長即為球頭銑刀切削擬合斜平面的走刀行距。令刀具位置網(wǎng)格單元擬合斜平面Z的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Z＝aX+bY+c(1)其中，a、b、c為最小二乘擬合系數(shù)，X、Y為變量。球頭銑刀半徑為R，擬合斜平面法向殘余高度為h，則擬合斜平面法向側(cè)向步長s'為：s′=2R2-(R-h)2=22Rh-h2---(2)]]>刀具位置網(wǎng)格單元擬合斜平面與XY平面間的夾角為α，與YZ平面間的夾角為β，根據(jù)平面夾角公式得：cosβ=aa2+b2+1---(3)]]>相同殘余高度下，同一切削行中所有刀具位置網(wǎng)格單元的法向側(cè)向步長相同，但各刀具位置網(wǎng)格單元擬合平面空間方位的變化導(dǎo)致其在XY平面投影側(cè)向步長s不同，投影側(cè)向步長s與法向側(cè)向步長s'的幾何關(guān)系為：s＝s'·sinβ＝s'·cosα(4)由式(1)-(4)得：s=2b2+1a2+b2+1·2Rh-h2---(5)]]>令刀具位置網(wǎng)格初始投影側(cè)向步長s0為：s0=22Rh-h2---(6)]]>令初始向前步長f0等于s0，則在XY投影平面內(nèi)確定一個(gè)矩形網(wǎng)格單元的尺寸。根據(jù)等殘余高度法獲得的刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)，將刀位點(diǎn)向XY平面投影，選取投影落在該矩形網(wǎng)格單元內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行最小二乘擬合，得到與XY平面成一定角度的刀具位置網(wǎng)格單元平面。最小二乘擬合系數(shù)a、b、c由式(7)解得:abc=Σxi2ΣxiyiΣxiΣxiyiΣyi2ΣyiΣxiΣyi1=ΣxiyiΣxiziΣzi---(7)]]>式中，(xi,yi,zi)為刀具位置網(wǎng)格單元所包含的刀位點(diǎn)坐標(biāo)值，經(jīng)擬合得到刀具位置網(wǎng)格單元斜平面。刀具位置網(wǎng)格單元初始向前步長f0等于s0，向前步長f的確定值需通過迭代方法確定，引入最小二乘平面擬合偏差均方根RMS：RMS=(1nΣi=1n(|axi+byi-zi+c|ai2+bi2+1)2)12---(8)]]>式中，n為網(wǎng)格單元內(nèi)刀位點(diǎn)數(shù)量。比較擬合平面的RMS值與加工誤差要求ε大小確定向前步長f的增減趨勢，將刀具位置網(wǎng)格單元邊界前移或后退進(jìn)行反復(fù)迭代，擬合平面的RMS值小于等于ε時(shí)，f取到最大值即為最終向前步長f。利用得到的最終向前步長f，確定網(wǎng)格單元內(nèi)的刀位數(shù)據(jù)點(diǎn)，再次進(jìn)行最小二乘平面擬合最終確定擬合系數(shù)，計(jì)算該刀具位置網(wǎng)格單元對應(yīng)的投影側(cè)向步長；按照上述方法構(gòu)建第i個(gè)切削行所有刀具位置網(wǎng)格，確定第i個(gè)切削行內(nèi)所有刀具位置網(wǎng)格單元對應(yīng)的投影側(cè)向步長si值，選取最小si值作為該切削行最終的走刀行距，并根據(jù)該走刀行距值重新進(jìn)行該行最終刀具位置網(wǎng)格單元擬合。將迭代應(yīng)用到各切削行的刀具位置網(wǎng)格單元構(gòu)建中，直到覆蓋整個(gè)曲面的投影矩形區(qū)域。各切削行行距確定后，將確定的切削行行距作為各切削行刀具位置網(wǎng)格單元的側(cè)向步長，在走刀步長方向上采用相同方法進(jìn)行刀具位置網(wǎng)格單元?jiǎng)澐郑罱K完成整個(gè)曲面基于刀具位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)X、Y坐標(biāo)的刀具位置網(wǎng)格單元?jiǎng)澐帧２襟E2刀具位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)Z坐標(biāo)計(jì)算從兩個(gè)方向?qū)η邢餍泻途W(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，以確定網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置。走刀行距方向上的網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)x坐標(biāo)存放于數(shù)組x_row中，走刀步長方向上的網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)y坐標(biāo)存放于數(shù)組y_row中。按照優(yōu)化后具有最佳向前步長和側(cè)向步長的刀具位置網(wǎng)格重新進(jìn)行網(wǎng)格單元平面擬合，計(jì)算對應(yīng)最小二乘擬合系數(shù)a、b、c，建立單元數(shù)組net_plane，將每個(gè)刀具位置網(wǎng)格單元擬合平面系數(shù)順次存放其中。不同刀具位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，與之關(guān)聯(lián)的網(wǎng)格單元數(shù)目不同。刀具位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位于空間擬合平面的四角處時(shí)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)附近只有1個(gè)關(guān)聯(lián)網(wǎng)格單元平面；刀具位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位于空間擬合平面的四條邊界上時(shí)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)附近有2個(gè)關(guān)聯(lián)網(wǎng)格單元平面；刀具位置網(wǎng)格單元既不是角點(diǎn)也不位于邊界線上時(shí)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)附近有4個(gè)關(guān)聯(lián)網(wǎng)格單元平面。首先判斷刀具位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置，判定后利用各關(guān)聯(lián)刀具位置網(wǎng)格單元的擬合平面系數(shù)計(jì)算該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)Z坐標(biāo)的擬合值，最后取平均值作為該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的最終Z坐標(biāo)值。步驟3刀具位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)法向量網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)中某節(jié)點(diǎn)P的幾何歐拉距離最短的k個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為P的k鄰域。對任意網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，其法矢量用該節(jié)點(diǎn)及其鄰域點(diǎn)擬合出的最小二乘平面的法向量表示。對網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)及其鄰域點(diǎn)進(jìn)行最小二乘平面擬合，擬合方程為z＝ax+by+c，通過式(7)解出擬合系數(shù)，則網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的單位法向量為步驟4以切削力波動(dòng)為約束的曲面加工刀軌規(guī)劃以加工過程中切削力波動(dòng)小為約束，將刀具位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為刀位點(diǎn)，以相鄰刀位點(diǎn)間法向量夾角最小為基本原則規(guī)劃曲面加工刀具軌跡。曲面加工刀具軌跡規(guī)劃過程中要保證所有刀位點(diǎn)均生成刀具軌跡，且每一刀位點(diǎn)僅切削一次，生成的刀具軌跡不交疊，同時(shí)刀具軌跡規(guī)劃需滿足加工連續(xù)性要求，單條刀具軌跡長度盡可能長。附圖3為走刀路徑規(guī)劃刀位點(diǎn)選取原則。如附圖3所示，首先，為每一網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)設(shè)置標(biāo)志域，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處未生成刀具軌跡前標(biāo)志域?yàn)?，生成刀具軌跡后自動(dòng)將標(biāo)志域置0；刀具軌跡規(guī)劃時(shí)，給定初始刀位點(diǎn)，同時(shí)將其標(biāo)志域置0，搜索其鄰居節(jié)點(diǎn)，確定標(biāo)志域不為0的鄰居節(jié)點(diǎn)位置，計(jì)算節(jié)點(diǎn)間法向量夾角，取與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)法向量夾角最小的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將其標(biāo)志域置0，重復(fù)上述過程，直至遍歷所有節(jié)點(diǎn)為止。為保證刀具軌跡光順平滑，針對刀具軌跡規(guī)劃中出現(xiàn)鋸齒狀刀具軌跡影響加工質(zhì)量，限定當(dāng)前刀位點(diǎn)處搜尋下一刀位點(diǎn)時(shí)只考慮垂直與水平的相鄰節(jié)點(diǎn)。為避免出現(xiàn)局部刀位點(diǎn)被包圍情況，將當(dāng)前刀位點(diǎn)的標(biāo)志域置0后，搜索周圍標(biāo)志域不為0的鄰居節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，判定周圍小區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)是否全部生成刀位點(diǎn)，若出現(xiàn)被包圍的局部節(jié)點(diǎn)，則在當(dāng)前刀位點(diǎn)處舍棄法向量夾角最小的鄰居節(jié)點(diǎn)，將夾角次小的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一刀位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)所有刀位點(diǎn)都被切削，刀具軌跡連續(xù)，不需抬刀再次進(jìn)刀。此外，當(dāng)多鄰居節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的法矢量夾角計(jì)算值相同時(shí)，選取下一刀位點(diǎn)時(shí)盡量保證刀具軌跡方向的一致性，沿已生成的刀具軌跡方向繼續(xù)，避免頻繁變化走刀方向，最終實(shí)現(xiàn)切削力波動(dòng)約束的曲面加工刀具軌跡規(guī)劃。本發(fā)明的顯著效果和益處是針對加工過程中切削力波動(dòng)對復(fù)雜曲面刀具壽命、加工質(zhì)量的影響，在加工精度要求下建立刀具位置網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，將刀具位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為刀位點(diǎn)，以相鄰刀位點(diǎn)間法向量夾角最小為基本原則，發(fā)明了一種以切削力波動(dòng)為約束的曲面加工刀軌規(guī)劃方法，對局部復(fù)雜幾何特征具有很好的適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)曲面的高質(zhì)高效加工。附圖說明圖1—方法整體流程圖；圖2—球頭銑刀加工斜平面行距計(jì)算；s為投影側(cè)向步長，s'為法向側(cè)向步長，R為球頭銑刀半徑，h為法向殘余高度。α為刀具位置網(wǎng)格單元斜平面與XY平面間的夾角；圖3—走刀路徑規(guī)劃刀位點(diǎn)步驟；圖4——曲面的刀具位置網(wǎng)格劃分；圖5——規(guī)劃后刀具軌跡；圖6——規(guī)劃后走刀方式切削力；橫坐標(biāo)為加工時(shí)間t，縱坐標(biāo)為切削力F；圖7——常規(guī)往復(fù)行切走刀方式切削力；橫坐標(biāo)為加工時(shí)間t，縱坐標(biāo)為切削力F。具體實(shí)施方式結(jié)合技術(shù)方案與附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。圖1是方法整體流程圖，圖2所示為球頭銑刀加工斜平面行距計(jì)算方法。鑒于曲面各點(diǎn)幾何特征往往具有非一致性，數(shù)控加工過程中銑削力劇烈波動(dòng)，影響加工質(zhì)量。據(jù)此，針對加工過程中切削力波動(dòng)影響曲面加工質(zhì)量的問題，發(fā)明了一種切削力波動(dòng)約束的曲面加工刀軌規(guī)劃方法。以球頭銑刀三軸立銑馬鞍面為例，借助UG軟件獲得的初始刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)及MATLAB軟件計(jì)算并仿真，詳細(xì)說明本發(fā)明實(shí)施過程。首先，對馬鞍面進(jìn)行建模，給定加工工藝參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速4000r/min，切深0.5mm，進(jìn)給速度300mm/min，刀具半徑3mm，殘余高度0.02mm，加工誤差0.03mm。通過后處理獲得初始刀位點(diǎn)坐標(biāo)，利用MATLAB軟件根據(jù)式(2)-(8)迭代計(jì)算，得到整個(gè)馬鞍面的刀具位置網(wǎng)格劃分參見附圖4。其次，利用x_row及y_row中的馬鞍面網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過式(7)計(jì)算對應(yīng)最小二乘擬合系數(shù)a、b、c得到單元數(shù)組net_plane。判斷該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置后分別利用各關(guān)聯(lián)刀具位置網(wǎng)格單元的擬合平面系數(shù)計(jì)算在該點(diǎn)處Z坐標(biāo)的擬合值，求其平均值作為該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的最終Z坐標(biāo)值。然后，利用式(9)-(18)逐個(gè)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的法向量，同時(shí)建立結(jié)構(gòu)數(shù)組net_node存放網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)信息，建立結(jié)構(gòu)數(shù)組neighbor_node存放鄰居節(jié)點(diǎn)信息，包括位置信息與法向量夾角計(jì)算值。為兼顧精度和效率，選取鄰域點(diǎn)數(shù)量k＝28。最后，根據(jù)設(shè)定的約束條件，以具有最優(yōu)走刀行距和走刀步長的刀具位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為刀位點(diǎn)進(jìn)行刀具軌跡規(guī)劃，以加工過程中切削力波動(dòng)最小為目標(biāo)制定規(guī)劃原則，利用MATLAB編程，得到最終的規(guī)劃刀具軌跡參見附圖5。為驗(yàn)證此方法的有效性，進(jìn)行規(guī)劃所得加工軌跡與常規(guī)往復(fù)行切加工對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化后加工時(shí)間為11min42s，優(yōu)化前加工時(shí)間為13min54s，效率提高15.8％。針對加工過程中的切削力波動(dòng)，通過求解切削力數(shù)據(jù)輪廓的最小二乘中線，取切削力數(shù)據(jù)點(diǎn)對最小二乘中線的最大變動(dòng)量作為評定切削力波動(dòng)指標(biāo)。附圖6與附圖7分別為規(guī)劃后走刀方式及常規(guī)往復(fù)行切走刀方式的切削力。通過對附圖6與附圖7的切削力對比可知，優(yōu)化后切削力波動(dòng)值為3.6365N，優(yōu)化前切削力波動(dòng)值為4.7956N，切削力波動(dòng)減小24.2％；利用優(yōu)化后刀具軌跡加工，粗糙度為2.53μm，優(yōu)化前刀具軌跡加工，粗糙度為4.96μm。利用本發(fā)明的以切削力波動(dòng)為約束的曲面加工刀具軌跡規(guī)劃方法，可有效縮短加工時(shí)間，同時(shí)減小復(fù)雜曲面加工中的切削力波動(dòng)，提高加工質(zhì)量。本發(fā)明針對球頭銑刀三軸立銑曲面過程中由于切削力波動(dòng)影響加工質(zhì)量的問題，建立了一種新型的以切削力波動(dòng)為約束的曲面加工刀具軌跡規(guī)劃方法，為面向幾何特征的復(fù)雜曲面零件三軸立銑加工提供理論與技術(shù)支撐，同時(shí)有效提高復(fù)雜曲面零件加工質(zhì)量及效率。當(dāng)前第1頁1 2 3