CN110515353A - 一种自由曲面双刀加工的后置处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自由曲面双刀加工的后置处理方法,包括将第一刀具和第二刀具分别位于待加工工件的两侧,对刀具进行布局;将刀位文件分离为刀具对应曲面上的切触点位置和刀轴矢量信息;建立机床双刀具的运动链,并建立机床中第一刀具和第二刀具的正向运动学方程和刀具姿态及位置表达式;计算工件回转轴和刀具摆轴的旋转角度,以及第一刀具和第二刀具对应直线轴的位移量,得到相对加工坐标系的位置;连续读取刀位文件,形成机床加工的数控程序,使刀具完成对工件两个曲面的加工;本发明通过刀位文件信息转化为机床两个旋转轴的角度量、六个直线轴的位移量,并转换为机床可识别的数控加工程序,解决了工件回转角度下生成双刀加工数控程序的难题。
Description
技术领域
本发明涉及多轴数控加工自由曲面的技术领域,尤其涉及一种自由曲面双刀加工的后置处理方法。
背景技术
双刀加工方法中两把刀具同时加工工件的两侧曲面,相当于减小了每一把刀具作用于工件上的切削力,进而减小了切削力引起的工件变形量,有利于提高工件的加工质量,尤其对于型面复杂、薄壁的自由曲面具有显著效果,且双刀相对单刀可提高加工效率,但如何将双刀具的刀位文件转化为机床可识别的数控代码是双刀加工过程实现的前提。
由于,双刀加工自由曲面的两把刀具共用同一工件回转角度,虽然每一把刀具均具有独立的运动轴,但两把刀具的自由度可能不相同,需要在后置处理中计算工件回转轴共用的旋转角度,并将刀位文件中所包含两把刀具的信息同时转化为机床所有运动轴的运动量,以形成机床可执行的数控代码。同时,自由曲面的两侧表面不具有对称性,导致刀位文件中两侧曲面上的切触点信息无法一致,必须保证两把刀具与工件的两个表面建立准确且唯一的对应关系。
然而,双刀加工自由曲面的两把刀具共用同一工件回转角度,且仅有第一刀具具有摆动角度,导致两把刀具具有非对称的自由度;同时,两把刀具共有两个旋转轴和六个直线轴,其切触点与旋转轴角度和直线轴位移的对应关系和计算方法已成为双刀加工数控代码生成中必须解决的问题。此外,复杂形状的自由曲面具有不规则性,导致两侧曲面上的切触点信息不具有对称性,无法采用单一刀具的切触点信息计算或者映射所有轴的位移量。现有的技术均无法提供将双切触点信息转化为双刀加工可执行数控代码的解决方案。
发明内容
针对上述缺陷或不足,本发明的目的在于提供一种自由曲面双刀加工的后置处理方法;将刀位文件中第一刀具和第二刀具的位置、刀轴矢量转化为机床两个旋转轴的角度量、六个直线轴的位移量,并形成机床可识别的数控加工程序,解决了共用工件回转角度下同时生成双刀加工数控程序的难题。
为达到以上目的,本发明的技术方案为:一种自由曲面双刀加工的后置处理方法,包括如下步骤:
步骤一:将第一刀具和第二刀具分别位于待加工工件的两侧,以使得第一刀具对应工件的第一曲面和第二刀具对应工件的第二曲面;
步骤二:根据工件第一曲面和第二曲面上轨迹线形成的刀位文件,将刀位文件分离为第一曲面的切触点位置和刀轴矢量信息,以及第二曲面的切触点位置和刀轴矢量信息;
步骤三:根据第一刀具和第二刀具的布局方式,建立机床双刀具的运动链,并结合运动轴相对机床坐标系下的位置分别建立机床中第一刀具和第二刀具的正向运动学方程,并根据运动学方程分别建立第一刀具和第二刀具的姿态表达式和位置表达式;
步骤四:将刀具对应曲面上的切触点位置和刀轴矢量信息分别输入到第一刀具和第二刀具的姿态表达式和位置表达式,计算工件回转轴和刀具摆轴的旋转角度,并将工件回转轴的旋转角度同时输入到两把刀具的位置表达式,分别且同步计算第一刀具和第二刀具对应直线轴的位移量,得到双刀加工机床联动轴相对加工坐标系的位置;
步骤五:根据连续读取的刀位文件,同时同步连续转化为机床两个旋转轴的角度和六个直线轴的位移,形成机床加工的数控程序,使第一刀具和第二刀具完成对工件的第一曲面和第二曲面加工。
双刀加工的刀位文件中有两个切触点信息,分别位于工件的第一曲面和第二曲面轨迹线上;将刀位文件按照工件的曲面信息分离为工件第一曲面和第二曲面轨迹线上的切触点信息,并将工件第一曲面上的切触点信息定义为第一刀具中心点所包含的位置向量p1和刀轴向量a1,同时,将工件第二曲面上的切触点信息定义为第二刀具中心点所包含的位置向量p2和刀轴向量a2。
双刀加工机床分别从刀具到工件形成了两个封闭的运动链,且共用刀具到床身的运动链;同时,设置机床坐标系,并在各个运动轴的原点上设置参考坐标系,在工件上设置工件坐标下以及第一刀具和第二刀具上分别设置刀具坐标系,且所有坐标系的方向均与机床坐标系相同。
根据运动链和坐标系分别建立第一刀具和第二刀具与工件的运动学方程,并表示为:
式中,R和T分别为旋转和平移的齐次坐标转换矩阵,L1和L2分别为第一刀具和第二刀具的中心点与旋转中心的距离。
由运动学方程的逆运算分别建立第一刀具和第二刀具的姿态和位置表达式,求解机床各轴的角度和位移。
根据第一刀具的姿态表达式计算旋转轴B和C的角度,并结合第一刀具的位置表达式计算轴X1、Y1、Z1的位移;由第二刀具的位置表达式和共用角度C计算轴X2、Y2、Z2的位移,得到双刀具加工所需的代码(X1、Y1、Z1、B、C、X2、Y2、Z2)。
逐个且连续将第一刀具与第二刀具的刀轴向量a1、a2和位置向量p1、p2输入到对应的姿态表达式和位置表达式中,同时同步连续转化为机床两个旋转轴的角度和六个直线轴的位移,形成机床加工的数控程序。
第一刀具和第二刀具均可用于单刀加工,当第一刀具用于单刀加工时,设置第二刀具的位置向量p2和刀轴向量a2均为0;当第二刀具用于单刀加工时,设置第一刀具的位置向量p1和刀轴向量a1均为0,并由第二刀具的姿态表达式和位置表达式计算旋转轴的角度和直线轴的位移。
与现有技术比较,本发明的有益效果为:本发明提供了一种自由曲面双刀加工的后置处理方法,由于建立机床中第一刀具和第二刀具的正向运动学方程,并根据运动学方程分别建立第一刀具和第二刀具的姿态和位置表达式,形成了双刀具共用工件回转角度的运动学模型,实现了加工坐标系下第一刀具和第二刀具的姿态和位置的表征;将刀位文件中第一刀具和第二刀具的位置、刀轴矢量转化为机床两个旋转轴的角度量、六个直线轴的位移量,形成了双刀加工机床可识别的数控代码;本发明双刀加工方法可用于双刀和单刀加工,因此,本发明具有很好的推广应用前景;同时,本发明的双刀加工方法,一方面可同步,一次性完成工件两侧第一曲面和第二曲面的加工,提高了加工效率,另一方面,两把刀具同时对工件进行加工,相当于减小了每一把刀具作用于工件上的切削力,进而减小了切削力引起的工件变形量,从而提高了工件的加工质量,使得工件的合格率大幅度提升。
附图说明
图1是本发明双刀加工自由曲面的加工方法流程图;
图2是本发明双刀加工及刀具布局示意图;
图3是双刀加工机床的运动链示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
如图1—图3所示,一种自由曲面双刀加工的后置处理方法,首先,将第一刀具和第二刀具分别位于待加工工件的两侧,以使得第一刀具对应工件的第一曲面和第二刀具对应工件的第二曲面;其次,根据工件第一曲面和第二曲面上轨迹线形成的刀位文件,将刀位文件分离为第一曲面的切触点位置和刀轴矢量信息,以及第二曲面的切触点位置和刀轴矢量信息;再次,根据第一刀具和第二刀具的布局方式,建立机床双刀具的运动链,并结合运动轴相对机床坐标系下的位置分别建立机床中第一刀具和第二刀具的正向运动学方程,并根据运动学方程分别建立第一刀具和第二刀具的姿态表达式和位置表达式;然后,将刀具对应曲面上的切触点位置和刀轴矢量信息分别输入到第一刀具和第二刀具的姿态表达式和位置表达式,计算工件回转轴和刀具摆轴的旋转角度,并将工件回转轴的旋转角度同时输入到两把刀具的位置表达式,分别且同步计算第一刀具和第二刀具对应直线轴的位移量,得到双刀加工机床联动轴相对加工坐标系的位置;最后,根据连续读取的刀位文件,同时同步连续转化为机床两个旋转轴的角度和六个直线轴的位移,形成机床加工的数控程序,使第一刀具和第二刀具完成对工件两侧的第一曲面和第二曲面加工。
本发明建立了自由曲面双刀加工的切触点与第一刀具和第二刀具的对应关系,保证了双刀加工中具有相同的工件回转角度,同时生成了第一刀具和第二刀具同步加工的数控代码;具体方法如下:
(1)在双刀加工刀位文件的处理过程中:双刀加工的刀位文件中有两个切触点信息,分别位于工件的第一曲面和第二曲面轨迹线上;将刀位文件按照工件的曲面信息分离为工件第一曲面和第二曲面迹线上的切触点信息,并将工件第一曲面上的切触点信息定义为第一刀具中心点所包含的位置向量p1和刀轴向量a1,同时,将工件第二曲面的切触点信息定义为第二刀具中心点所包含的位置向量p2和刀轴向量a2。
(2)建立机床运动链和坐标系的方法:双刀加工机床分别从刀具到工件形成了两个封闭的运动链,且共用刀具到床身的运动链;同时,设置机床坐标系,并在各个运动轴的原点上设置参考坐标系,在工件上设置工件坐标下以及第一刀具和第二刀具上分别设置刀具坐标系,且所有坐标系的方向均与机床坐标系相同。
(3)根据运动链和坐标系分别建立第一刀具和第二刀具与工件的运动学方程,并表示为:
式中:L1和L2分别为第一刀具和第二刀具的中心点与旋转中心的距离,R和T分别为旋转和平移的齐次坐标转换矩阵,并可表示为:
(4)由运动学方程的逆运算分别建立第一刀具和第二刀具的姿态和位置表达式,求解机床各轴的角度和位移;其中,根据第一刀具的姿态表达式计算旋转轴B和C的角度,并结合第一刀具的位置表达式计算轴X1、Y1、Z1的位移;由第二刀具的位置表达式和共用角度C计算轴X2、Y2、Z2的位移。形成了双刀具共用工件回转角度的运动学模型,并通过运算获取到双刀具加工所需的代码(X1、Y1、Z1、B、C、X2、Y2、Z2),由此实现了加工坐标系下第一刀具与第二刀具姿态和位置的表征,使得第一刀具和第二刀具与工件两侧的第一曲面和第二曲面建立准确且唯一的对应关系。
(5)逐个且连续将第一刀具与第二刀具的刀轴向量a1、a2和位置向量p1、p2输入到对应的姿态表达式和位置表达式中,同时同步连续转化为机床两个旋转轴的角度和六个直线轴的位移,根据连续读取的刀位文件,形成了双刀加工机床可识别的数控程序,使第一刀具和第二刀具完成对工件的第一曲面和第二曲面加工;与此同时,本发明的双刀加工方法,一方面,可双刀同步,一次性完成工件两侧第一曲面和第二曲面的加工,提高了加工效率,另一方面,两把刀具同时对工件进行加工,相当于减小了每一把刀具作用于工件上的切削力,进而减小了切削力引起的工件变形量,从而提高了工件的加工质量,使得工件的合格率大幅度提升。
进一步的,本发明的第一刀具和第二刀具均可用于单刀加工,当第一刀具用于单刀加工时,设置第二刀具的位置向量p2和刀轴向量a2均为0;当第二刀具用于单刀加工时,设置第一刀具的位置向量p1和刀轴向量a1均为0,并由第二刀具的姿态表达式和位置表达式计算旋转轴的角度和直线轴的位移。使本发明可用于双刀和单刀加工,并可推广到双刀加工中任意结构配置下的后置处理过程。
对于本领域技术人员而言,显然能了解到上述具体事实例只是本发明的优选方案,因此本领域的技术人员对本发明中的某些部分所可能作出的改进、变动,体现的仍是本发明的原理,实现的仍是本发明的目的,均属于本发明所保护的范围。
Claims (8)
1.一种自由曲面双刀加工的后置处理方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一:将第一刀具和第二刀具分别位于待加工工件的两侧,以使得第一刀具对应工件的第一曲面和第二刀具对应工件的第二曲面;
步骤二:根据工件第一曲面和第二曲面上轨迹线形成的刀位文件,将刀位文件分离为第一曲面的切触点位置和刀轴矢量信息,以及第二曲面的切触点位置和刀轴矢量信息;
步骤三:根据第一刀具和第二刀具的布局方式,建立机床双刀具的运动链,并结合运动轴相对机床坐标系下的位置分别建立机床中第一刀具和第二刀具的正向运动学方程,并根据运动学方程分别建立第一刀具和第二刀具的姿态表达式和位置表达式;
步骤四:将刀具对应曲面上的切触点位置和刀轴矢量信息分别输入到第一刀具和第二刀具的姿态表达式和位置表达式,计算工件回转轴和刀具摆轴的旋转角度,并将工件回转轴的旋转角度同时输入到两把刀具的位置表达式,分别且同步计算第一刀具和第二刀具对应直线轴的位移量,得到双刀加工机床联动轴相对加工坐标系的位置;
步骤五:根据连续读取的刀位文件,同时同步连续转化为机床两个旋转轴的角度和六个直线轴的位移,形成机床加工的数控程序,使第一刀具和第二刀具完成对工件的第一曲面和第二曲面加工。
2.根据权利要求1所述的自由曲面双刀加工编程的后置处理方法,其特征在于,双刀加工的刀位文件中有两个切触点信息,分别位于工件的第一曲面和第二曲面轨迹线上;将刀位文件按照工件的曲面信息分离为工件第一曲面和第二曲面轨迹线上的切触点信息,并将工件第一曲面上的切触点信息定义为第一刀具中心点所包含的位置向量p1和刀轴向量a1,同时,将工件第二曲面上的切触点信息定义为第二刀具中心点所包含的位置向量p2和刀轴向量a2。
3.根据权利要求1所述的自由曲面双刀加工编程的后置处理方法,其特征在于,双刀加工机床分别从刀具到工件形成了两个封闭的运动链,且共用刀具到床身的运动链;同时,设置机床坐标系,并在各个运动轴的原点上设置参考坐标系,在工件上设置工件坐标下以及第一刀具和第二刀具上分别设置刀具坐标系,且所有坐标系的方向均与机床坐标系相同。
4.根据权利要求3所述的自由曲面双刀加工编程的后置处理方法,其特征在于,根据运动链和坐标系分别建立第一刀具和第二刀具与工件的运动学方程,并表示为:
式中,R和T分别为旋转和平移的齐次坐标转换矩阵,L1和L2分别为第一刀具和第二刀具的中心点与旋转中心的距离。
5.根据权利要求4所述的自由曲面双刀加工编程的后置处理方法,其特征在于,由运动学方程的逆运算分别建立第一刀具和第二刀具的姿态和位置表达式,求解机床各轴的角度和位移。
6.根据权利要求5所述的自由曲面双刀加工编程的后置处理方法,其特征在于,根据第一刀具的姿态表达式计算旋转轴B和C的角度,并结合第一刀具的位置表达式计算轴X1、Y1、Z1的位移;由第二刀具的位置表达式和共用角度C计算轴X2、Y2、Z2的位移,得到双刀具加工所需的代码(X1、Y1、Z1、B、C、X2、Y2、Z2)。
7.根据权利要求6所述的自由曲面双刀加工编程的后置处理方法,其特征在于,逐个且连续将第一刀具与第二刀具的刀轴向量a1、a2和位置向量p1、p2输入到对应的姿态表达式和位置表达式中,同时同步连续转化为机床两个旋转轴的角度和六个直线轴的位移,形成机床加工的数控程序。
8.根据权利要求1、5、6、7中任意一条所述的自由曲面双刀加工编程的后置处理方法,其特征在于,第一刀具和第二刀具均可用于单刀加工,当第一刀具用于单刀加工时,设置第二刀具的位置向量p2和刀轴向量a2均为0;当第二刀具用于单刀加工时,设置第一刀具的位置向量p1和刀轴向量a1均为0,并由第二刀具的姿态表达式和位置表达式计算旋转轴的角度和直线轴的位移。
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