CN102608952A - 对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法，包括：(1)根据加工零件的几何形状和工艺参数，生成刀位轨迹源文件；(2)对源文件依次进行逐行读取、解析并提取其刀位点位置和刀轴矢量，以及判断刀位行有无干涉锥角以确定其锥角值的操作，由此获得锥角刀路文件；(3)对锥角刀路文件依次进行逐行读取，解析并提取其刀位位置、刀轴矢量和锥角，以及确定所有刀位行最优刀轴矢量的操作；以及(4)根据最优刀轴矢量计算刀位点坐标并执行后置处理以生成机床加工路径，从而实现对机床加工路径的平滑处理。通过本发明，能够使刀轴平滑过渡局部变成三轴加工，以消除局部非线性误差，并消除了奇异位置机床旋转轴大幅旋转问题，提高加工效率。

Description

对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法

技术领域

本发明涉及多轴联动数控机械加工领域，更具体地，涉及一种对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法。

背景技术

随着航空航天，造船，汽车，能源、冶金等工业的发展，多轴联动数控加工技术正广泛地运用于高精密复杂曲面薄壁零件的加工中。在多轴联动数控加工处理过程中，可以根据零件几何形状和工艺参数合理规划出加工刀路，并生成相应刀位轨迹文件。该文件需要经过后置处理转换成为数控加工程序，才能驱动机床加工。五轴机床与三轴机床相比，增加了两个旋转轴，由此可调整任意刀轴方向以避免三轴机床加工中一些不可避免的干涉问题，但与此同时也带来了后置处理方面的问题。例如，旋转轴的转动会产生非线性误差，使得规划刀路的小线段经过后置处理走成了空间曲线，偏离了规划轨迹。

目前，对规划刀路的后置处理方式都是通过插点的方式来控制非线性误差的上限。上限值越大，偏离规划轨迹越远，加工质量越差；上限值越小，插值离散的小线段越多，机床运动轴频繁加减速，加工效率越低。当五轴机床处于奇异位置时，所规划刀路中刀轴的微量摆动，将造成机床旋转轴出现不必要的大幅旋转，此时伴随非线性误差最大化，可能产生加工路径紊乱。Knut Sorby在2006年machine tools&manufature杂志上发表论文提出了一种五轴后置处理奇异位置处理的插值方法，其通过插值使得大幅快速旋转变成了分段小幅缓慢旋转，使得奇异位置处加工变得安全，但是并没有实质上解决奇异位置大幅旋转行为，并且使得加工效率变得低下。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法，以消除局部非线性误差并避免机床奇异位置处依赖旋转轴的大幅旋转问题。

按照本发明，提出了一种对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法，该方法包括下列步骤：

(1)根据加工零件的几何形状和工艺参数，生成机床所采用球头刀具的刀位轨迹源文件；

(2)对生成的刀位轨迹源文件依次进行逐行读取、解析并提取其刀位点位置和刀轴矢量，以及判断刀位行有无干涉锥角以确定各刀位行的锥角值的一系列操作处理，由此获得包括了刀位点位置、刀轴矢量和锥角值信息在内的锥角刀路文件，所述确定锥角值的操作具体包括以下子步骤：

(i)将刀位轨迹源文件中的第一行刀位的锥角值θ¹赋值为0，同时将刀位行n赋值为2；

(ii)计算第n行刀轴矢量[i j k]ⁿ与第n-1行刀轴矢量[i j k]^n-1之间的矢量夹角αⁿ；

(iii)计算第n行刀位锥角值的上限

(iv)构建锥角值为

的刀锥体模型与加工模型做干涉检查，若无干涉则设定当前锥角值为若存在干涉，则当前锥角依比例缩小，直到满足无干涉以确定当前行锥角值θⁿ；

(v)将n赋值增加1，重复上述(ii)～(iv)步骤直到确定各刀位行的锥角；

(3)对通过步骤(2)所获得的锥角刀路文件依次进行逐行读取，解析并提取其刀位位置、刀轴矢量和锥角，以及确定所有刀位行最优刀轴矢量的一系列操作处理，所述确定刀位行最优刀轴矢量的操作具体包括以下子步骤：

(a)将第一行刀位的刀轴矢量[i j k]¹设定为最优刀轴矢量并计算出其对应的机床旋转轴的值，同时将刀位行n赋值为2；

(b)计算第n行刀位的刀轴矢量[i j k]ⁿ与第n-1行已确定的刀轴矢量[i j k]^n-1之间的矢量夹角αⁿ；

(c)若矢量夹角αⁿ≤第n行的锥角值θⁿ，则将第n行刀位的最优刀轴矢量确定为[i j k]^n-1，并计算出其对应的机床旋转轴的值；

(d)若矢量夹角αⁿ＞第n行的锥角值θⁿ，则离散锥角θⁿ中的刀轴矢量，并将离散后的刀轴矢量所对应的机床旋转轴的值逐一与第(n-1)行刀轴矢量所对应的机床旋转轴的值进行对比，从中选择致使旋转轴加权旋转量最小的刀轴矢量作为第n行的最优刀轴矢量；以及

(e)将n赋值增加1，重复执行上述步骤(b)～(d)直到确定所有刀位行的最优刀轴矢量；以及

(4)根据步骤(3)中所确定的最优刀轴矢量，计算出相应的刀位点坐标，并进一步执行后置处理以获得五轴联动机床的加工路径，从而实现对机床加工路径的平滑处理。

作为进一步优选地，可以在步骤(4)之后，将获得平滑处理后的加工路径输入五轴联动机床，以执行对工件的加工。

通过本发明的对五轴联动机床的加工路径进行平滑处理的方法，在叶轮流道精加工时，刀轴能够平滑过渡，局部变成三轴加工，由此消除了先前数控加工程序的奇异位置机床旋转轴大幅旋转的技术问题，因而在机械加工领域能够获得大幅提高加工效率、提高加工精度等方面的技术效果。

附图说明

图1是加工刀具的刀轴矢量偏离原有刀轴角度后绕原刀轴旋转一周，所有刀具的外轮廓所形成的刀锥体的示意图；

图2是按照本发明的用于对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法流程框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行具体描述。

机床旋转轴的旋转分量可由CAM软件规划的刀轴矢量计算。由于机床加工与规划刀路的完全分离，传统的CAM软件并不会根据加工机床来合理规划经过后置处理以后仍然满足加工要求的前置刀位文件。为了增强机床加工路径的光顺性，将五轴自由曲面加工变成局部三轴加工以消除非线性误差，同时避免五轴机床奇异位置处依赖旋转轴的大幅旋转，本发明针对五轴机床球刀点铣加工提供了一种包括刀位点位置、刀轴矢量、锥角信息在内的锥角刀位文件，并对其后置处理生成平滑机床路径数控加工的方法。

传统刀位文件刀位行格式为：goto/x，y，z，i，j，k。goto/标示符后前三项数据为加工坐标系下的刀位点位置坐标[x y z]^T，后三项数据为其对应的刀轴矢量[i j k]^T。以双摆台(A轴C轴)五轴联动机床为例，来说明如何通过优化刀轴矢量来增强机床路径的光顺性：

A轴为非依赖旋转轴，其旋转角度为θ_A，C轴轴心线随着A轴的旋转而产生空间变化为依赖轴，其旋转角度用θ_C表示。假设加工坐标系与机床坐标系方位相同，并且固定。刀具坐标系起初与加工坐标系重合，刀轴矢量为[0 0 1]^T经过两次旋转变换，变为刀位点对应刀轴矢量[i j k]^T，有如下方程：(Rot为旋转矩阵)

$\mathrm{Rot}(Z,{\mathrm{\θ}}_C)\×\mathrm{Rot}(X,{\mathrm{\θ}}_A)\×\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}i\\ j\\ k\end{array}\right]$

展开得到

$\left(\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\θ}}_C& {-\sin \mathrm{\θ}}_C& 0\\ {\sin \mathrm{\θ}}_C& {\cos \mathrm{\θ}}_C& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\θ}}_A& -\sin {\mathrm{\θ}}_A\\ 0& \sin {\mathrm{\θ}}_A& \cos {\mathrm{\θ}}_A\end{array}\right)\×\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}i\\ j\\ k\end{array}\right]$

$\left(\begin{array}{c}\sin {\mathrm{\θ}}_A\sin {\mathrm{\θ}}_C\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_A\cos {\mathrm{\θ}}_C\\ \cos {\mathrm{\θ}}_A\end{array}\right)=\left[\begin{array}{c}i\\ j\\ k\end{array}\right]$

以上可以看出，A轴和C轴的旋转角度只与所规划刀路的刀轴矢量有关，而与刀位点位置无关。根据后置处理的双解选择算法，可以求出一一对应的关系，例如用θ_A＝F(k)以及θ_C＝G(i，j)简要表示。由于刀位文件中相邻刀位行中刀轴矢量的不同，计算出数控程序中相邻行旋转轴的解不同，造成了机床旋转轴部件时刻旋转。

为了减少加工过程中机床旋转部件不必要的旋转，可以设定优化目标为：针对上一行确定的刀轴矢量[i j k]^n-1调整当前行的刀轴矢量[i j k]ⁿ，满足相对旋转量加权值最小，其中对于两个旋转轴分别加入了权数f_A、f_C控制两个旋转轴旋转量的比重。(n为刀位上的序号，其中n为2，3，4…)

$\mathrm{Min}.(f_A\×S({\mathrm{\θ}}_A^{n-1},{\mathrm{\θ}}_A^n)+f_C\×S({\mathrm{\θ}}_C^{n-1},{\mathrm{\θ}}_C^n))$

θ_A＝F(k)

θ_C＝G(i，j)

其中S(a，b)为计算a，b两个角度的旋转量，结果为正值。

圆柱球头铣刀(刀具)由两部分组成，顶端球头部分和圆柱刀杆部分。通常规划的点铣刀路，刀具与工件的接触点简称切触点位于球头部分。当保持球心(刀心)不变时，新的刀轴矢量偏离原有刀矢一定角度所形成新位姿的刀具，若不与工件发生干涉，切触点在工件上位置不变，依然处于刀具球头部分，该刀轴矢量满足切触条件，属于合适的刀轴矢量。新的刀轴矢量偏离原有刀轴角度θ后，绕原刀轴旋转一周后，所有刀具的外轮廓形成一个锥体，称之为刀锥体(参见附图1)，θ为刀锥锥角。若刀锥不与工件干涉，则保持刀心不变，刀轴矢量可以在锥角内部任意调整。一般而言，刀锥锥角θ越大可调整的刀轴范围就越大，但搜索最大θ会占用更多的内存和计算时间并非必要。若次行刀位的刀轴锥度中包含该刀轴矢量，则次行刀位中最优的刀轴矢量与上行确定的刀轴矢量保持一样，是最佳刀轴。通过此刀轴矢量反求出的旋转轴的角度值与上一行保持一致，局部变成了三轴加工。

基于以上分析，本发明提出了一种锥角刀路刀位行格式：goto/x，y，z，i，j，k，θ。针对上一行机床路径中的旋转轴角度，在刀锥中离散出一系列刀轴矢量，根据旋转轴求解公式分别计算其对应的旋转轴旋转角度，以旋转量加权值最小为最优刀轴矢量。通过调整刀轴矢量后生成新的刀位点坐标，进一步确定机床各部件轴的移动量，由此生成平滑的机床加工路径。

相应地，按照本发明的生成平滑机床加工路径的方法主要包括四个步骤：

(1)根据加工零件的几何形状和工艺参数，生成刀位轨迹源文件；

(2)对生成的刀位轨迹源文件依次进行逐行读取、解析并提取其刀位点位置和刀轴矢量，以及计算刀位行有无干涉角以确定各刀位行的锥角值的一系列操作处理，由此获得包括了刀位点位置、刀轴矢量和锥角值信息在内的锥角刀路文件；

(3)对通过步骤(2)所获得的锥角刀路文件依次进行逐行读取，解析并提取其刀位位置、刀轴矢量和锥角，以及确定所有刀位行最优刀轴矢量的一系列操作处理；

(4)根据步骤(3)中所确定的最优刀轴矢量，计算出相应的刀位点坐标，并进一步执行后置处理以生成五轴联动机床的加工路径，从而实现对机床加工路径的平滑处理。

下面将参照图2对以上各个步骤更具体地进行说明：

首先，根据加工零件的几何形状和加工工艺要求在UG软件叶轮加工模块中用某球头刀具规划好叶轮流道精加工轨迹，导出描述刀位点坐标及刀轴矢量的刀位轨迹源文件，后缀名为.cls。

接着，逐行提取刀位文件刀位数据goto/语句中的六个参数[x y z i j k]。用[x y z i j k]ⁿ表示第n行的刀位信息，其中n∈[1，N]。将这些参数保存在计算机内存中，进一步用于计算刀位行锥角和输出带有锥角信息的锥角刀路文件。刀位锥角的计算步骤如下：

n＝2，首行刀位的锥角θ¹置为0；

计算第n行刀位刀轴矢量[i j k]ⁿ与其上一行刀位刀轴矢量[i j k]^n-1之间的夹角即为αⁿ，进一步计算第n行锥角的上限值

公式如下：

αⁿ＝arccos([i j k]^n-1·[i j k]ⁿ)

${\mathrm{\θ}}_{\max }^n={\mathrm{\α}}^n+{\mathrm{\θ}}^{n-1}$

在UG中调用内部API函数接口，创建刀轴矢量为[i j k]ⁿ、锥角大小为

的刀锥体模型与加工部件做干涉检查，若不发生干涉，则锥角值

若发生干涉，缩小锥角重新赋值

其中f为小于1的正常数。重复以上的缩小和赋值步骤直到不发生干涉为止，由此确定第n行刀位的锥角值。所调用函数创建的刀锥体模型所需要的参数如刀锥小径R₁、刀锥大径R₂、底面中心点坐标P_tc、刀锥高度H_con计算如下：

规划刀路的刀具尺寸R_tool，刀杆长度L_tool。

$R_1=R_{\mathrm{tool}}\·\cos {\mathrm{\θ}}_{\max }^n$

$R_2=L_{\mathrm{tool}}\·\sin {\mathrm{\θ}}_{\max }^n$

$P_{\mathrm{tc}}={\left[\mathrm{x\; y\; z}\right]}^n+R_{\mathrm{tool}}(1-{\cos \mathrm{\θ}}_{\max }^n)\·{\left[\mathrm{i\; j\; k}\right]}^n$

$H_{\mathrm{con}}=R_{\mathrm{tool}}\·{\sin \mathrm{\θ}}_{\max }^n+L_{\mathrm{tool}}\·\cos {\mathrm{\θ}}_{\max }^n$

n值自增1，重复以上步骤直到计算出所有刀位行的锥角值。

以goto/x，y，z，i，j，k，θ的格式有序输出刀位数据，由此形成锥角刀位文件。

接着，对所获得的锥角刀路文件依次进行逐行读取，解析并提取其刀位位置、刀轴矢量和锥角，以及确定所有刀位行最优刀轴矢量的一系列操作处理。

该步骤的具体过程为：读入所或得的锥角刀位文件，提取锥角刀位文件中各行goto/语句中的包含刀位点坐标、刀轴矢量、锥角信息的七个参数[x y z i j k θ]。用[x y z i j k θ]ⁿ表示第n行刀位信息，其中n∈[1，N]。将参数保存在计算机内存中，用于搜索最优刀轴矢量。

所述搜索最优刀轴矢量的具体步骤如下：

确定第一行锥角刀位的最优刀轴矢量并计算出其对应的机床旋转轴的值，同时将n赋值为2；

计算n行刀位的刀轴矢量[i j k]ⁿ与上行n-1行的刀轴矢量的夹角[i j k]^n-1的夹角αⁿ，计算公式如下：

αⁿ＝arccos([i j k]^n-1·[i j k]ⁿ)

若矢量夹角αⁿ≤θⁿ(第n行锥角)，则确定第n行刀位的最优刀轴矢量为

并计算出其对应的机床旋转轴的值；

若矢量夹角αⁿ＞θⁿ，则离散锥角内部的矢量，计算对应的机床旋转轴解与n-1行旋转轴值对比，选择致使旋转轴加权旋转量最小的刀轴矢量作为第n行最优刀轴矢量

并计算对应的旋转轴的值，θ_A＝F(k)，θ_C＝G(i，j)为机床旋转轴的计算公式，易于推导，并非本发明所述重点。S(a，b)为计算a，b两个角度的旋转量，结果为正值，约束方程如下：

$\min .(f_A\×S({\mathrm{\θ}}_A^{n-1},{\mathrm{\θ}}_A^n)+f_C\×S({\mathrm{\θ}}_C^{n-1},{\mathrm{\θ}}_C^n))$

将n赋值增加1，重复执行上述步骤直到确定所有刀位行的最优刀轴矢量。

最后，根据最优刀轴矢量

来获得对应的最优刀位点坐标

计算最优刀位点坐标

的公式如下，其中R为球头刀刀具半径：

${\left[\mathrm{x\; y\; z}\right]}_{\mathrm{opt}}^n={\left[\mathrm{x\; y\; z}\right]}^n+R\·({\left[\mathrm{i\; j\; k}\right]}^n-{\left[\mathrm{i\; j\; k}\right]}_{\mathrm{opt}}^n)$

根据最优刀位数据

执行后置处理，计算对应的机床各轴运动量并输出成机床加工路径文件。

可以将获得的平滑机床路径的文件导入MIKRON UCP 800机床，在叶轮流道精加工时，刀轴能够平滑过渡，局部变成三轴加工，由此消除了先前机床路径的奇异位置处机床旋转轴大幅旋转的技术问题，因而在机械加工领域能够获得大幅提高加工效率、提高加工精度等方面的技术效果。

本领域的普通技术人员容易理解，以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法，该方法包括下列步骤：

(1)根据加工零件的几何形状和工艺参数，生成机床所采用的球头刀具的刀位轨迹源文件；

(2)对生成的刀位轨迹源文件依次进行逐行读取、解析并提取其刀位点位置和刀轴矢量，以及判断刀位行有无干涉以确定各刀位行的锥角值的一系列操作处理，由此获得包括了刀位点位置、刀轴矢量和锥角值信息在内的锥角刀路文件，所述确定锥角值的操作具体包括以下子步骤：

(i)将刀位轨迹源文件中的第一行刀位的锥角值θ¹赋值为0，同时将刀位行n赋值为2；

(ii)计算第n行刀轴矢量[i j k]ⁿ与第n-1行刀轴矢量[i j k]^n-1之间的矢量夹角αⁿ；

(iii)计算第n行刀位锥角值的上限

(iv)构建锥角值为

的刀锥体模型与加工模型做干涉检查，若无干涉则设定当前锥角值为

若存在干涉，则将刀锥体模型的锥角依比例缩小，直到满足无干涉以确定当前行锥角值θⁿ；

(v)将n赋值增加1，重复上述(ii)～(iv)步骤直到确定各刀位行的锥角；

(3)对通过步骤(2)所获得的锥角刀路文件依次进行逐行读取，解析并提取其刀位位置、刀轴矢量和锥角，以及确定所有刀位行最优刀轴矢量的一系列操作处理，所述确定刀位行最优刀轴矢量的操作具体包括以下子步骤：

(a)将第一行刀位的刀轴矢量[i j k]¹设定为最优刀轴矢量并计算出其对应的机床旋转轴的值，同时将刀位行n赋值为2；

(b)计算第n行刀位的刀轴矢量[i j k]ⁿ与第n-1行已确定的刀轴矢量[i j k]^n-1之间的矢量夹角αⁿ；

(c)若矢量夹角αⁿ≤第n行的锥角值θⁿ，则将第n行刀位的最优刀轴矢量确定为[i j k]^n-1，并计算出其对应的机床旋转轴的值；

(d)若矢量夹角αⁿ＞第n行的锥角值θⁿ，则离散锥角θⁿ中的刀轴矢量，并将离散后的刀轴矢量所对应的机床旋转轴的值逐一与第n-1行刀轴矢量所对应的机床旋转轴的值进行对比，从中选择致使旋转轴加权旋转量最小的刀轴矢量作为第n行的最优刀轴矢量；以及

(e)将n赋值增加1，重复执行上述步骤(b)～(d)直到确定所有刀位行的最优刀轴矢量；

(4)根据步骤(3)中所确定的最优刀轴矢量，计算出相应的刀位点坐标，并进一步执行后置处理以获得五轴联动机床的加工路径，从而实现对机床加工路径的平滑处理。

2.如权利要求1所述的对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法，其特征在于，在步骤(4)之后，将获得平滑处理后的加工路径输入五轴联动机床，以执行对工件的加工。

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