CN110412941A - 螺旋曲面数控包络铣削方法及其集成控制*** - Google Patents

Abstract

本发明适用于数控铣削技术领域，提供了一种螺旋曲面数控包络铣削方法，包括以下步骤：A、参数输入；B、基点确认；C、建模；D、编程；E、三维轨迹确认；F、数控加工：将步骤E中确认完成的加工程序发送至数控控制面板，利用数控控制面板对铣刀进行控制，沿建模所形成的三维网格曲面对待加工件进行加工，直至完成螺旋曲面加工。借此，本发明能够有效对螺旋曲面进行加工，提高加工精度，降低加工误差。

Description

螺旋曲面数控包络铣削方法及其集成控制***

技术领域

本发明涉及数控铣削技术领域，尤其涉及一种螺旋曲面数控包络铣削方法及其集成控制***。

背景技术

随着机械制造业的发展，复杂精密的零部件已被广泛应用于国民经济的各个重要工业领域，而螺旋曲面表面的生成复杂，加工过程难度大，并且精度要求高，需要多轴联动数控机床包络加工形成。由于机床的加工精度、生产效率及工件的表面质量和在很大程度上取决于其控制***的性能和编程精度，这就要求数控机床的数控***具有更强的计算和编程能力，更高的精度控制及多轴联动控制等功能。

螺旋曲面是工程应用最广的曲面，主要应用于齿轮、蜗杆、螺旋叶片及对应的加工砂轮上，因成形法加工螺旋曲面比较直观且具有高精度的特点，成形法已成为加工螺旋曲面主要的方式之一。现有的成形砂轮大多采用回转砂轮，回转砂轮的成形截面与被加工的螺旋曲面型线间呈空间映射关系，因此计算出的成形砂轮廓形精度对最终包络出的螺旋曲面精度有很大影响。

综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种螺旋曲面数控包络铣削方法，其可以提高加工精度，降低加工误差。

为了实现上述目的，本发明提供一种螺旋曲面数控包络铣削方法，其包括以下步骤：

A、参数输入：

利用计算机操作面板对加工基础参数进行输入，包括铣刀尺寸、待加工工件截面线性及尺寸、旋向及圈数；

B、基点确认：

通过操作面板对铣刀位置进行移动，并对待加工工件位置进行基点确认，确认次数为3～5次，对其基点及其基准量进行确认，确认完成后，将其确认数据及铣刀型号存入数据库中；

C、建模：

采用网格分割形式对待加工工件进行三维立体建模，根据绘制轮廓线的特征点分布，进行约束化三角网格剖分，提取二维轮廓线的骨架，选取骨架点和采样点投影到三维空间椭球曲面，并引入二面角原则，优化空间离散数据点的三角化算法，最后缝合骨架点获得三维网格曲面表示；

D、编程：

从数据库中提取铣刀数据及待加工工件数据，以基点为准线，对步骤C中所形成的建模画面进行数控程序编程，在进行曲面编程切削中，采用法向量相同和阿基米德插补法求出刀位点轨迹，然后形成精度分析和干涉判定，根据干涉判定对其过切部位调整，调整完成后形成数控加工程序；

E、三维轨迹确认：

在计算机显示界面利用建模所形成的三维网格曲面，利用加工程序模拟铣刀工作路线，检查加工轮廓是否符合加工要求，同时针对过切区域进行二次调整处理，利用铣刀直径-(铣刀直径+过切量)/2的形式，得出偏移距离，同时以铣刀中心为原点，远离原点移动偏移量，重新生成加工程序并确认；

F、数控加工：

将步骤E中确认完成的加工程序发送至数控控制面板，利用数控控制面板对铣刀进行控制，沿建模所形成的三维网格曲面对待加工件进行加工，直至完成螺旋曲面加工。

根据本发明的螺旋曲面数控包络铣削方法，所述基点确认次数为4次，且基点确认采用边缘碰触法，碰触待加工工件边缘后数值减去铣刀半径，然后再加上进给量即为基点，所述进给量为0.03～0.08mm。

根据本发明的螺旋曲面数控包络铣削方法，所述约束化三角网格剖分利用了GIS的空间拓扑关系对算法输入数据进行预处理，基于三角形的统一数据结构实现网格细化。

根据本发明的螺旋曲面数控包络铣削方法，所述二维轮廓线基于二维轮廓线和元球造型技术，利用中轴线的几何特性对其进行数据处理。

根据本发明的螺旋曲面数控包络铣削方法，所述建模基于编程点之间的步长、刀尖圆弧半径和刀具安装角度对其形成的三维网格曲面进行综合确认。

根据本发明的螺旋曲面数控包络铣削方法，所述基准量的长度偏差算式：F＝X2+Y2-R2在起步偏差预置或运行中象限变换时根据起点所在象限和走向是离开X轴或朝向X轴进行F＝F-X+Y或F＝F-Y+X的偏差修正预置，及对曲线运行中的递推算式：当X±1时：F＝F±2*X+1，当Y±1时：F＝F±2*Y+1，改为：当X±1时：F＝F±2*X+2，当Y±1时：F＝F±2*Y+2，用以使对基准R的修正量在一个象限内实现由0.8经0.6到1.5的变化，达到去除在坐标轴上被控点相对基准R的最大偏离，使坐标轴两侧轨迹对称，整个轨迹均以R为中心运行。

根据本发明的集成控制***，包括：

策略设置单元，用于设置加工参数的范围以及学习策略，所述加工参数至少包括第一加工参数及第二加工参数；

参数控制单元，用于按照预设策略及加工参数的范围，控制加工过程中的的加工参数；

模型设置单元，用于建立反应参数及目标物参数的关联模型。

所述学习策略包括：从第一加工参数范围及第二加工参数中，分别获取符合等差序列的一组参数数据，记为第一加工序列及第二加工序列；每次加工，从第一加工序列及第二加工序列中，各获取一数据，并根据获取的数据控制加工参数；直至遍历所述第一加工序列及第二加工序列；

根据建立的关联模型中，智能选择加工参数。

举例：流速15～30m/s、第一序列：15m/s、15.5m/s、16m/s、16.5m/s……30m/s；

压强：20～30pa、第一序列：20pa、21pa、22pa、……30pa。

本发明提供了一种螺旋曲面数控包络铣削方法，其包括以下步骤：

A、参数输入：

利用计算机操作面板对加工基础参数进行输入，包括铣刀尺寸、待加工工件截面线性及尺寸、旋向及圈数；

B、基点确认：

通过操作面板对铣刀位置进行移动，并对待加工工件位置进行基点确认，确认次数为3～5次，对其基点及其基准量进行确认，确认完成后，将其确认数据及铣刀型号存入数据库中；

C、建模：

采用网格分割形式对待加工工件进行三维立体建模，根据绘制轮廓线的特征点分布，进行约束化三角网格剖分，提取二维轮廓线的骨架，选取骨架点和采样点投影到三维空间椭球曲面，并引入二面角原则，优化空间离散数据点的三角化算法，最后缝合骨架点获得三维网格曲面表示；

D、编程：

从数据库中提取铣刀数据及待加工工件数据，以基点为准线，对步骤C中所形成的建模画面进行数控程序编程，在进行曲面编程切削中，采用法向量相同和阿基米德插补法求出刀位点轨迹，然后形成精度分析和干涉判定，根据干涉判定对其过切部位调整，调整完成后形成数控加工程序；

E、三维轨迹确认：

在计算机显示界面利用建模所形成的三维网格曲面，利用加工程序模拟铣刀工作路线，检查加工轮廓是否符合加工要求，同时针对过切区域进行二次调整处理，利用铣刀直径-(铣刀直径+过切量)/2的形式，得出偏移距离，同时以铣刀中心为原点，远离原点移动偏移量，重新生成加工程序并确认；

F、数控加工：

将步骤E中确认完成的加工程序发送至数控控制面板，利用数控控制面板对铣刀进行控制，沿建模所形成的三维网格曲面对待加工件进行加工，直至完成螺旋曲面加工。

本发明的有益效果：利用约束化三角网格及法向量相同和阿基米德插补法对加工过程中的补正量进行精准测量及补正，保证加工过程中各项数据的精准，提高切削过程中螺旋曲面的加工精准量，降低过切及其他误差现象的发生，从而提高工作效率和工作质量。

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。

本发明提供了一种螺旋曲面数控包络铣削方法，其包括以下步骤：

A、参数输入：

利用计算机操作面板对加工基础参数进行输入，包括铣刀尺寸、待加工工件截面线性及尺寸、旋向及圈数；

B、基点确认：

通过操作面板对铣刀位置进行移动，并对待加工工件位置进行基点确认，确认次数为3～5次，对其基点及其基准量进行确认，确认完成后，将其确认数据及铣刀型号存入数据库中；

C、建模：

采用网格分割形式对待加工工件进行三维立体建模，根据绘制轮廓线的特征点分布，进行约束化三角网格剖分，提取二维轮廓线的骨架，选取骨架点和采样点投影到三维空间椭球曲面，并引入二面角原则，优化空间离散数据点的三角化算法，最后缝合骨架点获得三维网格曲面表示；

D、编程：

从数据库中提取铣刀数据及待加工工件数据，以基点为准线，对步骤C中所形成的建模画面进行数控程序编程，在进行曲面编程切削中，采用法向量相同和阿基米德插补法求出刀位点轨迹，然后形成精度分析和干涉判定，根据干涉判定对其过切部位调整，调整完成后形成数控加工程序；

E、三维轨迹确认：

在计算机显示界面利用建模所形成的三维网格曲面，利用加工程序模拟铣刀工作路线，检查加工轮廓是否符合加工要求，同时针对过切区域进行二次调整处理，利用铣刀直径-(铣刀直径+过切量)/2的形式，得出偏移距离，同时以铣刀中心为原点，远离原点移动偏移量，重新生成加工程序并确认；

F、数控加工：

将步骤E中确认完成的加工程序发送至数控控制面板，利用数控控制面板对铣刀进行控制，沿建模所形成的三维网格曲面对待加工件进行加工，直至完成螺旋曲面加工。

优选的是，本发明的基点确认次数为4次，且基点确认采用边缘碰触法，碰触待加工工件边缘后数值减去铣刀半径，然后再加上进给量即为基点，所述进给量为0.03～0.08mm，利用边缘碰触加进给量的补给，增强基点确认准确性，从而保证后续工序的加工精准程度，提高工作质量和工作效率。

另外，本发明的约束化三角网格剖分利用了GIS的空间拓扑关系对算法输入数据进行预处理，基于三角形的统一数据结构实现网格细化，利用空间拓扑关系和三角形的统一数据，对加工工件的螺旋曲面建模进行细致分化，进一步提高在加工过程中，螺旋曲面的精准度，降低误差。

进一步的，本发明的二维轮廓线基于二维轮廓线和元球造型技术，利用中轴线的几何特性对其进行数据处理，在现有技术的二维轮廓线基础上，结合元球造型技术，对建模过程中形成的中轴线进行二次分割确认，利用二次分割完成后的几何数据对工件进行建模处理，能够有效降低建模过程中所产生的误差，提高工作质量和工作效率。

更好的，本发明的建模基于编程点之间的步长、刀尖圆弧半径和刀具安装角度对其形成的三维网格曲面进行综合确认，利用编程点之间的步长及刀尖圆弧半径对铣刀进给量进行预算，同时对铣刀运行轨迹与工件之间的距离进行对比，防止铣刀在加工过程中出现过切及偏移现象，同时对刀具安装角度进行网格曲面化，使其进一步的实现加工过程中的误差，便于加工过程中实现刀具型号的有效更换，提高工作效率和工作质量。

本发明在实施过程中：

一种螺旋曲面数控包络铣削方法，其包括以下步骤：

A、参数输入：

利用计算机操作面板对加工基础参数进行输入，包括铣刀尺寸、待加工工件截面线性及尺寸、旋向及圈数；

B、基点确认：

通过操作面板对铣刀位置进行移动，并对待加工工件位置进行基点确认，确认次数为3～5次，对其基点及其基准量进行确认，确认完成后，将其确认数据及铣刀型号存入数据库中；

C、建模：

采用网格分割形式对待加工工件进行三维立体建模，根据绘制轮廓线的特征点分布，进行约束化三角网格剖分，提取二维轮廓线的骨架，选取骨架点和采样点投影到三维空间椭球曲面，并引入二面角原则，优化空间离散数据点的三角化算法，最后缝合骨架点获得三维网格曲面表示。出去采用三角网格剖分外，还可采用螺旋包络曲面廓形法，过程为点矢量沿刀具曲面的成形运动的一次包络过程，得到一次包络点；第二个步骤为一次包络点沿展成刀具轴线的直线展成运动的二次包络过程，得到二次包络点，首先选取螺旋曲面端截面为计算平面，建立展成刀具与螺旋曲面间的空间坐标系，再利用点矢量坐标变换关系将点矢量表示到螺旋曲面坐标系中，最后将点矢量投影至计算平面形成平面点矢量族，采用点矢量一次包络及二次包络逼近方法确定对应的螺旋曲面廓形点，使用光滑曲线连接展成刀具轴截面型线各点矢量对应的螺旋曲面廓形点，得到二次包络形成的螺旋曲面廓形。

D、编程：

从数据库中提取铣刀数据及待加工工件数据，以基点为准线，对步骤C中所形成的建模画面进行数控程序编程，在进行曲面编程切削中，采用法向量相同和阿基米德插补法求出刀位点轨迹，然后形成精度分析和干涉判定，根据干涉判定对其过切部位调整，调整完成后形成数控加工程序；

标准阿基米德螺旋线方程为：ρ＝αθ

在数控机床上插补生成的阿基米德螺线方程为：

式中：α-常数；θ-极角。

E、三维轨迹确认：

在计算机显示界面利用建模所形成的三维网格曲面，利用加工程序模拟铣刀工作路线，检查加工轮廓是否符合加工要求，同时针对过切区域进行二次调整处理，利用铣刀直径-(铣刀直径+过切量)/2的形式，得出偏移距离，同时以铣刀中心为原点，远离原点移动偏移量，重新生成加工程序并确认；

F、数控加工：

将步骤E中确认完成的加工程序发送至数控控制面板，利用数控控制面板对铣刀进行控制，沿建模所形成的三维网格曲面对待加工件进行加工，直至完成螺旋曲面加工。

基准量的长度偏差算式：F＝X2+Y2-R2在起步偏差预置或运行中象限变换时根据起点所在象限和走向是离开X轴或朝向X轴进行F＝F-X+Y或F＝F-Y+X的偏差修正预置，及对曲线运行中的递推算式：当X±1时：F＝F±2*X+1，当Y±1时：F＝F±2*Y+1，改为：当X±1时：F＝F±2*X+2，当Y±1时：F＝F±2*Y+2，用以使对基准R的修正量在一个象限内实现由0.8经0.6到1.5的变化，达到去除在坐标轴上被控点相对基准R的最大偏离，使坐标轴两侧轨迹对称，整个轨迹均以R为中心运行。

一种实现螺旋曲面数控包络铣削方法的集成控制***，包括：

策略设置单元，用于设置加工参数的范围以及学习策略，所述加工参数至少包括第一加工参数及第二加工参数；

参数控制单元，用于按照预设策略及加工参数的范围，控制加工过程中的的加工参数；

模型设置单元，用于建立反应参数及目标物参数的关联模型。

所述学习策略包括：从第一加工参数范围及第二加工参数中，分别获取符合等差序列的一组参数数据，记为第一加工序列及第二加工序列；每次加工，从第一加工序列及第二加工序列中，各获取一数据，并根据获取的数据控制加工参数；直至遍历所述第一加工序列及第二加工序列；

根据建立的关联模型中，智能选择加工参数。

举例：流速15～30m/s、第一序列：15m/s、15.5m/s、16m/s、16.5m/s……30m/s；

压强：20～30pa、第一序列：20pa、21pa、22pa、……30pa。

利用学习策略对加工过程中的切削液流速及压强进行控制，使其能够根据铣刀切削过程中所产生的废屑厚度，进行不同程度的改变，实现铣刀在切削过程中的有效切割，实现对切削温度的有效控制，提高加工质量。

综上所述，本发明提供了一种螺旋曲面数控包络铣削方法，其包括以下步骤：

A、参数输入：

利用计算机操作面板对加工基础参数进行输入，包括铣刀尺寸、待加工工件截面线性及尺寸、旋向及圈数；

B、基点确认：

通过操作面板对铣刀位置进行移动，并对待加工工件位置进行基点确认，确认次数为3～5次，对其基点及其基准量进行确认，确认完成后，将其确认数据及铣刀型号存入数据库中；

C、建模：

采用网格分割形式对待加工工件进行三维立体建模，根据绘制轮廓线的特征点分布，进行约束化三角网格剖分，提取二维轮廓线的骨架，选取骨架点和采样点投影到三维空间椭球曲面，并引入二面角原则，优化空间离散数据点的三角化算法，最后缝合骨架点获得三维网格曲面表示；

D、编程：

从数据库中提取铣刀数据及待加工工件数据，以基点为准线，对步骤C中所形成的建模画面进行数控程序编程，在进行曲面编程切削中，采用法向量相同和阿基米德插补法求出刀位点轨迹，然后形成精度分析和干涉判定，根据干涉判定对其过切部位调整，调整完成后形成数控加工程序；

E、三维轨迹确认：

在计算机显示界面利用建模所形成的三维网格曲面，利用加工程序模拟铣刀工作路线，检查加工轮廓是否符合加工要求，同时针对过切区域进行二次调整处理，利用铣刀直径-(铣刀直径+过切量)/2的形式，得出偏移距离，同时以铣刀中心为原点，远离原点移动偏移量，重新生成加工程序并确认；

F、数控加工：

将步骤E中确认完成的加工程序发送至数控控制面板，利用数控控制面板对铣刀进行控制，沿建模所形成的三维网格曲面对待加工件进行加工，直至完成螺旋曲面加工。

本发明的有益效果：利用约束化三角网格及法向量相同和阿基米德插补法对加工过程中的补正量进行精准测量及补正，保证加工过程中各项数据的精准，提高切削过程中螺旋曲面的加工精准量，降低过切及其他误差现象的发生，从而提高工作效率和工作质量。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种螺旋曲面数控包络铣削方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、参数输入：

利用计算机操作面板对加工基础参数进行输入，包括铣刀尺寸、待加工工件截面线性及尺寸、旋向及圈数；

B、基点确认：

通过操作面板对铣刀位置进行移动，并对待加工工件位置进行基点确认，确认次数为3～5次，对其基点及其基准量进行确认，确认完成后，将其确认数据及铣刀型号存入数据库中；

C、建模：

采用网格分割形式对待加工工件进行三维立体建模，根据绘制轮廓线的特征点分布，进行约束化三角网格剖分，提取二维轮廓线的骨架，选取骨架点和采样点投影到三维空间椭球曲面，并引入二面角原则，优化空间离散数据点的三角化算法，最后缝合骨架点获得三维网格曲面表示；

D、编程：

从数据库中提取铣刀数据及待加工工件数据，以基点为准线，对步骤C中所形成的建模画面进行数控程序编程，在进行曲面编程切削中，采用法向量相同和阿基米德插补法求出刀位点轨迹，然后形成精度分析和干涉判定，根据干涉判定对其过切部位调整，调整完成后形成数控加工程序；

E、三维轨迹确认：

在计算机显示界面利用建模所形成的三维网格曲面，利用加工程序模拟铣刀工作路线，检查加工轮廓是否符合加工要求，同时针对过切区域进行二次调整处理，利用铣刀直径-(铣刀直径+过切量)/2的形式，得出偏移距离，同时以铣刀中心为原点，远离原点移动偏移量，重新生成加工程序并确认；

F、数控加工：

将步骤E中确认完成的加工程序发送至数控控制面板，利用数控控制面板对铣刀进行控制，沿建模所形成的三维网格曲面对待加工件进行加工，直至完成螺旋曲面加工。

2.根据权利要求1所述的螺旋曲面数控包络铣削方法，其特征在于，所述基点确认次数为4次，且基点确认采用边缘碰触法，碰触待加工工件边缘后数值减去铣刀半径，然后再加上进给量即为基点，所述进给量为0.03～0.08mm。

3.根据权利要求1所述的螺旋曲面数控包络铣削方法，其特征在于，所述约束化三角网格剖分利用了GIS的空间拓扑关系对算法输入数据进行预处理，基于三角形的统一数据结构实现网格细化。

4.根据权利要求1所述的螺旋曲面数控包络铣削方法，其特征在于，所述二维轮廓线基于二维轮廓线和元球造型技术，利用中轴线的几何特性对其进行数据处理。

5.根据权利要求1所述的螺旋曲面数控包络铣削方法，其特征在于，所述建模基于编程点之间的步长、刀尖圆弧半径和刀具安装角度对其形成的三维网格曲面进行综合确认。

6.根据权利要求1所述的螺旋曲面数控包络铣削方法，其特征在于，所述基准量的长度偏差算式：F＝X2+Y2-R2在起步偏差预置或运行中象限变换时根据起点所在象限和走向是离开X轴或朝向X轴进行F＝F-X+Y或F＝F-Y+X的偏差修正预置，及对曲线运行中的递推算式：当X±1时：F＝F±2*X+1，当Y±1时：F＝F±2*Y+1，改为：当X±1时：F＝F±2*X+2，当Y±1时：F＝F±2*Y+2，用以使对基准R的修正量在一个象限内实现由0.8经0.6到1.5的变化，达到去除在坐标轴上被控点相对基准R的最大偏离，使坐标轴两侧轨迹对称，整个轨迹均以R为中心运行。

7.一种实现如权利要求1～6任意一项所述的螺旋曲面数控包络铣削方法的集成控制***，其特征在于，包括：

策略设置单元，用于设置加工参数的范围以及学习策略，所述加工参数至少包括第一加工参数及第二加工参数；

参数控制单元，用于按照预设策略及加工参数的范围，控制加工过程中的的加工参数；

模型设置单元，用于建立反应参数及目标物参数的关联模型。

所述学习策略包括：从第一加工参数范围及第二加工参数中，分别获取符合等差序列的一组参数数据，记为第一加工序列及第二加工序列；每次加工，从第一加工序列及第二加工序列中，各获取一数据，并根据获取的数据控制加工参数；直至遍历所述第一加工序列及第二加工序列；

根据建立的关联模型中，智能选择加工参数。

举例：流速15～30m/s、第一序列：15m/s、15.5m/s、16m/s、16.5m/s……30m/s；

压强：20～30pa、第一序列：20pa、21pa、22pa、……30pa。