CN105759717A - 一种用于五轴数控加工的刀具轨迹防过切的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于五轴数控加工的刀具轨迹防过切的方法，包括以下步骤：(1)将刀具沿刀轴方向向曲面投影，并得出新刀位点、新刀触点；(2)检测所述新刀触点在所述刀具上的位置；(3)调整所述刀轴方向，转而执行所述步骤(1)；(4)输出所述刀轴方向T作为所述刀具的刀轴方向，使该刀具的轨迹防过切。本发明通过对关键的过切种类判定方式、刀具刀轴的调整方式等进行改进，能够有效根据预先判定的过切的具***置，采用相应的调整手段防止五轴数控加工的刀具轨迹发生过切。

Description

一种用于五轴数控加工的刀具轨迹防过切的方法

技术领域

本发明属于数控加工技术领域，更具体地，涉及一种用于五轴数控加工的刀具轨迹防过切的方法，该防过切的方法是先快速地、精确地检测过切的具***置，根据过切的位置进行相应的调整，从而实现防止过切。

背景技术

五轴数控加工由于其能得到比加工三轴数控加工更高的加工效率和更好的加工表面质量，被广泛应用于航空、航天、汽车、造船、模具等领域。

等参数线法以被加工曲面的等参数线作为刀具接触点轨迹来生成刀具路径轨迹。用等参数线法生成五轴加工轨迹加工复杂自由曲面时，最大的困难就是处理碰撞(Collision)和过切(Gouging)。碰撞指在加工时刀杆、主轴头和工件发生碰撞；过切指在加工时刀具底部的边缘部分切入本应该保留的部分。过切会加速刀具磨损，减少刀具寿命，并且对零件造成精度造成影响，甚至导致零件报废，因此防过切方法对于五轴刀具路径轨迹非常重要。

过切可以分为两种情况:前切(LocalGouging)、根切(RearGouging)。如图1所示，在加工过程中，沿刀具前进方向，刀具上靠近刀触点的区域发生的过切称为前切；刀具上远离刀触点的区域发生的过切称为根切。

在非专利文献《Fixed-AxisToolPositioningwithBuilt-inGlobalInterferenceCheckingforNCPathGeneration》、《一种NC加工中无干涉刀具轨迹的生成算法》中，均利用投影法来生成无干涉的刀具轨迹。其基本思想是，假设刀具在曲面上方的某个不干涉的初始位置，将刀具沿投影矢量曲面移动，直到刀具表面和被加工表面接触位置，接触点即为刀触点。投影之后得到的刀触点对应的刀位点一定不会与被加工表面发生干涉。该方法没有区分前切和根切，刀触点可能在刀具的根切区，加速刀具的磨损，降低了刀具的使用寿命，使加工零件的表面质量下降，部分待加工的区域没有被加工完全，导致零件还需进行抛光打磨等加工工艺。

在非专利文献《Onlocalgouginginfive-axissculpturedsurfacemachiningusingflat-endtools》中，通过刀具的有效切削曲率和曲面的曲率比较确定是否需要调整刀具。该方法仅限使用于平底刀，且不适用于组合曲面。

在非专利文献《Admissibletoolorientationcontrolofgougingavoidancefor5-axiscomplexsurfacemachining》中，用两个正交平面截取刀具和曲面，通过刀具的有效切削曲率和曲面的局部集合特征分析是否干涉，然后调整刀轴达到避免过切的目的。该方法其采用了离散的检测点来检测过切，并不能完全保证检测准确。该方法只考虑刀触点轨迹是可以圆弧逼近的，不具备通用性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种用于五轴数控加工的刀具轨迹防过切的方法，其中通过对其关键的过切种类判定方式、刀具刀轴的调整方式等进行改进，与现有技术相比通过刀具分区量化实现过切的分类(即过切是根切过切还是前切过切)，并根据预先判定的过切的具***置(即过切是根切过切还是前切过切)，采用相应的调整手段防止五轴数控加工的刀具轨迹发生过切，并且，该方法不受刀具种类的限制，可适用于各种刀具类型。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于五轴数控加工的刀具轨迹防过切的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将刀具沿刀轴方向向曲面投影，并得出新刀位点、新刀触点：

以刀具底面的中心点作为参考点，记该参考点对应的空间坐标点为原刀位点；记所述刀具与所述曲面的初始接触的目标点为原刀触点；接着，通过使所述刀具沿刀轴方向移动投影距离将该刀具沿刀轴方向向曲面投影；当该刀具在投影过程中与所述曲面相切时，记该刀具与所述曲面相切的切点为新刀触点，并记此时的所述参考点对应的空间坐标点为新刀位点；

所述曲面为待加工工件的表面；

(2)检测所述新刀触点在所述刀具上的位置：

(2-1)根据刀具的前进方向、刀具的刀轴方向，计算分区向量X：

记沿所述刀具的刀轴方向的单位向量为T，所述刀具的前进方向的单位向量为F；定义单位向量Y，Y的方向与T×F的方向相同；接着，定义分区向量X，X＝Y×T；

(2-2)计算位置检测向量V：

定义位置检测向量V，记由所述步骤(1)中的新刀位点指向所述步骤(1)中的新刀触点形成的向量为V_cc，则V满足：

$V=\frac{V_{cc}-(T\·V_{cc})T}{|V_{cc}-(T\·V_{cc})T|};$

(2-3)计算位置指数P：

定义位置指数P，则P满足P＝X·V；

(2-4)根据所述位置指数P判断所述新刀触点所属区域：

若所述位置指数P满足P≥cos(α)，则所述新刀触点位于该刀具的前切区，执行步骤(4)；

若所述位置指数P满足P＜cos(α)，则所述新刀触点位于该刀具的根切区，执行步骤(3)；

其中，α满足0<α<180°；

(3)调整所述刀轴方向，转而执行所述步骤(1)；

(4)输出所述刀轴方向T作为所述刀具的刀轴方向，并输出所述新刀位点和所述新刀触点分别替换所述原刀位点和所述原刀触点，使该刀具的轨迹防过切。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)包括以下步骤：

(3-1)记所述刀具的前进方向上的单位向量为X_L，对于所述原刀触点所述曲面的法向单位向量为Z_L，定义Y_L使Y_L满足Y_L＝Z_L×X_L，则所述步骤(2-1)中的所述刀具的刀轴方向的单位向量T是将所述Z_L绕所述Y_L旋转θ，接着再绕所述X_L旋转φ得到的；

定义新刀轴方向T′，T′满足：

$T^{\&prime;}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\&phi;}& \sin \mathrm{\&phi;}\\ 0& -\sin \mathrm{\&phi;}& \cos \mathrm{\&phi;}\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{ccc}\cos (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;})& 0& -\sin (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;})\\ 0& 1& 0\\ \sin (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;})& 0& \cos (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;})\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right];$

其中，所述Δθ不超过

(3-2)更新所述刀轴方向，令T＝T′，并执行所述步骤(1)。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(3-1)中的Δθ优选为

作为本发明的进一步优选，所述步骤(2-4)中的α优选为

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够快速地、精确地预测过切的具***置，根据过切的位置进行相应的调整，实现防止用于五轴数控加工的刀具轨迹发生过切。本发明首先根据刀具沿刀轴方向向曲面投影得到新刀触点、新刀位点，其次根据新刀位点、新刀触点、原刀触点、原刀位点、刀轴方向等判断新刀位点在根切区还是前切区，从而判断过切的类型，并根据判断结果对刀具进行相应的调整(尤其是调整刀具的刀轴方向)，最终形成没有过切的刀具轨迹。

本发明将过切区域划分不同的区域，检测投影之后的新刀触点的位置，再根据检测结果调整刀具，能够取得下列有益效果：

1、采用刀具沿刀轴方向向曲面投影，适用于球头刀、平底刀、环形刀等，并且准确性更高，同时提刀之后的新刀触点为判断过切类型提供了依据；

2、将刀具划分为前切区、根切区，前切区为理想切削区域，为刀触点的位置检测提供了依据；

3、分区向量和检测向量之间的夹角来检测刀触点的位置，提高了检测效率和精度；

4、根据投影得到的刀触点在刀具上的位置，进行相应的调整，使得调整之后的刀触点在前切区域，从而保证加工工件的精度和质量，并且保证了轨迹的平顺性。

在刀轴调整过程中，是通过建立局部坐标系(即以X_L、Y_L、Z_L作为坐标轴单位向量建立的坐标系)，将原刀轴方向T用前倾角θ和侧倾角φ表示，每次调整是通过改变前倾角θ的值建立新刀轴方向T′，并以新刀轴方向T′重新计算新刀位点、新刀触点，最终得到满足防过切效果的刀轴方向。每次调整中，前倾角的增量Δθ优选为既保证了计算精度，又能够使刀轴方向调整实现更高的效率。本发明中，通过分区量化实现过切的分类，分区角α优选为通过这一分区角实现前切和根切的分类，能够满足一般五轴数控加工中的过切情况。本发明与现有技术相比，用刀具分区的方法实现根切和前切的定量区分，并与投影法相配合，使得通过本发明方法得出的检测结果更加准确，并且适用于球头刀、平底刀、环形刀。另外，通过逐渐调整刀轴来避免根切，可以保证原刀具路径的平顺性，适用于各种类型的待加工曲面。

本发明的防过切方法在避免根切的同时，也能够有效避免前切。刀具沿刀轴方向向曲面投影，得到的新刀触点是刀具与曲面的切点，因此，投影得到的刀具位置，是没有前切和根切的；但是，当新刀触点在根切区时会影响加工质量和刀具寿命，而本发明通过旋转刀轴使得投影之后的新刀触点在前切区，此时，新刀触点是投影之后在前切区的刀位点，这样刀具和曲面没有过切。

附图说明

图1是过切分类的示意图；

图2是本发明五轴加工刀具轨迹防过切方法的流程图；

图3是刀具沿刀轴方向向曲面投影的示意图；

图4是新刀触点位置检测的流程图；

图5是刀具分区示意图；

图6是逐渐旋转刀轴防根切的流程图；

图7是刀轴前倾角示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

如图2所示，本发明的五轴防过切方法，包括以下步骤：

(1)将刀具沿刀轴方向向曲面投影，并得出新刀位点、新刀触点：

运用投影法，将刀具沿刀轴方向向曲面投影，得到新刀触点和新刀位点；其中，曲面为待加工零件上与刀具相接触的表面(即待加工的表面，如上表面)，当待加工零件为叶片时(待加工零件也可以是模具)，该曲面可以是组合曲面，即由多个子曲面拼接而成的一个曲面；刀轴方向是沿刀轴的中心线方向(初始刀轴方向可由CAM软件根据实际情况生成)，新刀触点是由投影法得出的刀具与曲面相切的切点。

如图3所示，T是沿刀轴方向的单位向量，T既可以采用指向曲面的方向，也可以采用远离曲面的方向，两者相差180°，本发明中统一将沿刀轴方向的单位向量T定义为远离曲面的方向；V_cl是原刀位点和新刀位点两点组成的向量，方向由原刀位点指向新刀位点(原刀位点是指投影前的原刀位点，其坐标是已知量，用于标记刀具位置；新刀位点是原刀位点沿刀轴反向平移投影距离得到的新刀位点，投影距离可以为负数)；V_cc是新刀位点和新刀触点两点组成的向量，方向由新刀位点指向新刀触点。如果V_cl和T同向(即当这两个向量之间的夹角为0°时)，则刀具与曲面发生了过切，过切值即|V_cl|，|V_cl|为V_cl和T的点积(当V_cl和T反向，即这两个向量之间的夹角为180°时，|V_cl|为负值，此时对应为欠切；|V_cl|也就是投影距离)。V_cc将被用来判断投影之后新的刀触点在刀具上的位置，进而判断过切所在的位置。

(2)检测新刀触点在刀具上的位置，包括：

(2-1)根据前进方向、刀轴方向，计算分区向量：

如图5(a)所示，记F是刀具前进方向的单位向量，则定义Y为T和F的外积方向上的单位向量，

$Y=\frac{T\&times;F}{|T\&times;F|};$

再定义X为分区向量，用于检测新刀触点在刀具上的位置；如图5(b)所示，根据过切的两种情况，可将新刀触点的位置划分为两个区域，即根切区和前切区；X为Y和T的外积，即，

X＝Y×T；

(2-2)计算位置检测向量：

如图5(b)所示，定义V为位置检测向量，即以新刀位点为坐标原点O，V是在XOY平面内的单位向量(该XOY平面的X轴和Y轴分别对应分区向量X和向量Y，XOY平面垂直于T)，是V_cc在XOY平面内的投影方向上的单位向量，即，

$V=\frac{V_{cc}-(T\&CenterDot;V_{cc})T}{|V_{cc}-(T\&CenterDot;V_{cc})T|};$

(2-3)计算位置指数：

前切区是理想切削区域。为了保证加工质量，尽可能保证新刀触点在前切区。定义P为位置指数(为标量)，根据P的值可以判断刀触点的位置，定义P为X和V的点积，即，

P＝X·V；

(2-4)根据位置指数的大小判断新刀触点所属区域：

在XOY平面中，定义与X夹角为[0，α]的区域为前切区，与X夹角为(α，180°]的区域为根切区，记α为分区角；若

P≥cos(α)；

则新刀触点在刀具的前切区域；

P＜cos(α)；

则新刀触点在刀具的根切区域；

分区角α优选为

(3)若新刀触点在刀具的前切区，则执行步骤(5)，否则执行步骤(4)；

(4)刀轴逐渐旋转，直到投影后的新刀触点在前切区：

该步骤(4)是通过增加刀轴的前倾角实现旋转刀轴，进而使得刀触点从根切区转移到前切区，具体可以分为以下四个步骤：

(4-1)刀具前倾角增加Δθ，得到新刀轴方向：

如图7所示，X_L为前进方向的单位向量(X_L即为F)，Z_L为曲面的法向的单位向量(Z_L为曲面上原刀触点位置处的法向单位向量)，Y_L是Z_L和X_L的外积。

记θ是刀具的前倾角，φ是刀具的侧倾角。在局部坐标系中，刀具的刀轴方向由θ和φ决定。Z_L绕Y_L旋转前倾角θ，再绕X_L旋转侧倾角φ，得到刀轴方向T。刀具前倾角增加Δθ之后，得到新刀轴方向T′，即

$T^{\&prime;}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\&phi;}& \sin \mathrm{\&phi;}\\ 0& -\sin \mathrm{\&phi;}& \cos \mathrm{\&phi;}\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{ccc}\cos (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;})& 0& -\sin (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;})\\ 0& 1& 0\\ \sin (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;})& 0& \cos (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;})\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right];$

Δθ优选为(当Δθ为0时，上式即为刀轴方向T)。

通过逐渐增大刀轴的前倾角可以调整刀轴方向，使得根据新刀轴方向T′投影之后得到的新刀触点逐渐移动到前切区。

(4-2)将刀具沿新刀轴方向向曲面投影，得到新刀触点、新刀位点；具体方法与步骤(1)相似；

(4-3)检测新刀触点所在的区域；具体方法与步骤(2)相似；

(4-4)如果新刀触点在前切区，则将新刀轴方向T′作为刀轴方向T(即更新刀轴方向)，并执行后续步骤(5)；否则，将新刀轴方向T′作为刀轴方向T，并转而执行步骤(4-1)；

(5)输出新刀位点、新刀触点、以及刀轴方向T，该刀轴方向T能够确保五轴加工刀具的轨迹防过切。

上述步骤(4-2)、步骤(4-3)、步骤(4-4)相当于将新刀轴方向T′作为刀轴方向T(即令T＝T′)，重复步骤(1)以及后续步骤，循环直至新刀触点在前切区。

由于前切区是理想切削区域，上述步骤(2)得出的新刀触点在刀具的前切区，已经满足了良好的切削条件，则直接执行步骤(5)输出新刀位点、刀轴方向；否则通过执行步骤(4)逐渐调整刀轴使新刀触点在前切区。

五轴数控加工过程中，刀具的轨迹由刀位点、刀触点和刀轴方向决定，初始的刀位点、刀触点和刀轴方向均可预先设定，并作为输入量输入。本发明中的方法在输出新刀位点、新刀触点分别替换原刀位点、原刀触点前，原刀触点不发生变化(即，位于曲面上的原刀触点的空间坐标值不变)，原刀位点也不发生变化；本发明是通过调整刀具的刀轴方向，使刀具的轨迹防过切。原刀触点一般是刀具与待加工工件的曲面相切的点，是待加工曲面的目标初始加工位置(该原刀触点可以预先设定，作为初始输入量输入)。

步骤(1)中的曲面为待加工零件的上表面，通过向曲面投影得出的新刀位点、新刀触点，与刀具的具体类型无关，因此，上述方法适用于各类刀具(球头刀、平底刀、环形刀等)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于五轴数控加工的刀具轨迹防过切的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将刀具沿刀轴方向向曲面投影，并得出新刀位点、新刀触点：

以刀具底面的中心点作为参考点，记该参考点对应的空间坐标点为原刀位点；记所述刀具与所述曲面的初始接触的目标点为原刀触点；接着，通过使所述刀具沿刀轴方向移动投影距离将该刀具沿刀轴方向向曲面投影；当该刀具在投影过程中与所述曲面相切时，记该刀具与所述曲面相切的切点为新刀触点，并记此时的所述参考点对应的空间坐标点为新刀位点；

所述曲面为待加工工件的表面；

(2)检测所述新刀触点在所述刀具上的位置：

(2-1)根据刀具的前进方向、刀具的刀轴方向，计算分区向量X：

记沿所述刀具的刀轴方向的单位向量为T，所述刀具的前进方向的单位向量为F；定义单位向量Y，Y的方向与T×F的方向相同；接着，定义分区向量X，X＝Y×T；

(2-2)计算位置检测向量V：

定义位置检测向量V，记由所述步骤(1)中的新刀位点指向所述步骤(1)中的新刀触点形成的向量为V_cc，则V满足：

$V=\frac{V_{cc}-(T\&CenterDot;V_{cc})T}{|V_{cc}-(T\&CenterDot;V_{cc})T|};$

(2-3)计算位置指数P：

定义位置指数P，则P满足P＝X·V；

(2-4)根据所述位置指数P判断所述新刀触点所属区域：

若所述位置指数P满足P≥cos(α)，则所述新刀触点位于该刀具的前切区，执行步骤(4)；

若所述位置指数P满足P＜cos(α)，则所述新刀触点位于该刀具的根切区，执行步骤(3)；

其中，α满足0<α<180°；

(3)调整所述刀轴方向，转而执行所述步骤(1)；

(4)输出所述刀轴方向T作为所述刀具的刀轴方向，并输出所述新刀位点和所述新刀触点分别替换所述原刀位点和所述原刀触点，使该刀具的轨迹防过切。

2.如权利要求1所述用于五轴数控加工的刀具轨迹防过切的方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：

(3-1)记所述刀具的前进方向上的单位向量为X_L，对于所述原刀触点所述曲面的法向单位向量为Z_L，定义Y_L使Y_L满足Y_L＝Z_L×X_L，则所述步骤(2-1)中的所述刀具的刀轴方向的单位向量T是将所述Z_L绕所述Y_L旋转θ，接着再绕所述X_L旋转φ得到的；

定义新刀轴方向T′，T′满足：

$T^{\&prime;}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\&phi;}& \sin \mathrm{\&phi;}\\ 0& -\sin \mathrm{\&phi;}& \cos \mathrm{\&phi;}\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{ccc}\cos (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;})& 0& -\sin (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;})\\ 0& 1& 0\\ \sin (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;})& 0& \cos (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;})\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right];$

其中，所述Δθ不超过

(3-2)更新所述刀轴方向，令T＝T′，并执行所述步骤(1)。

3.如权利要求2所述用于五轴数控加工的刀具轨迹防过切的方法，其特征在于，所述步骤(3-1)中的Δθ优选为

4.如权利要求1-3所述用于五轴数控加工的刀具轨迹防过切的方法，其特征在于，所述步骤(2-4)中的α优选为