CN113589754A - 一种变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法，包括如下步骤：提取需加工的变螺旋角微细钻头的螺旋线，将螺旋线分成多条等螺旋角曲线段，采用等弧度的方式离散各条等螺旋角曲线段，获得一系列的微小线段；读入各微小线段，分别计算各微小线段的几何特征，通过构造控制点的方式将微小线段的转角通过PH曲线光顺，得到能够达到四阶参数连续性、曲率连续以及对称分布的初步加工路径；进行前瞻速度规划确定速度危险点的速度大小，并采用基于四次多项式跃度的加减速策略，确定各微小线段的加速、匀速、减速时间；将光顺与速度规划后的初步加工路径进行插补运算得到最终的加工路径。本发明具有易于实时插补、降低速度波动、减小机床振动影响的优点。

Description

一种变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法

技术领域

本发明属于数控加工领域，具体涉及一种可实现易于插补、降低速度波动和机床振动影响的变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法。

背景技术

电子工业的飞速发展促进了PCB行业的欣欣向荣，同时市场对PCB提出了更高的加工要求；电子设备主板尺寸越来越小，芯片高度集成且布置愈发密集，这对连接芯片引脚的PCB板孔的位置精度提出了更高的要求。

事实上用于加工PCB板的钻头精度对PCB板钻孔的定位精度影响非常大。目前，普遍研究重点是关于砂轮的形状和几何参数对螺旋槽几何结构的影响、微细切削材料去除机理、微细切削平台抗振性能等。

为了提高微细钻头的刚度，提出了将钻头设计成变螺旋角的形状，然而传统的加工方法无法满足变螺旋角这一特点，针对如何加工出高精度且变螺旋角的微细钻头，国内外鲜有研究。

基于此，提出一种变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种可实现易于插补、降低速度波动和机床振动影响的变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法，其包括以下步骤：

步骤一：提取需加工的变螺旋角微细钻头的螺旋线，将螺旋线分成多条等螺旋角曲线段，采用等弧度的方式离散各条等螺旋角曲线段，获得一系列的微小线段；

步骤二：读入各微小线段，并分别计算各微小线段的几何特征，通过构造控制点的方式将微小线段的转角通过PH曲线光顺，得到能够达到四阶参数连续性、曲率连续以及对称分布的初步加工路径；

步骤三：进行前瞻速度规划确定速度危险点的速度大小，并采用基于四次多项式跃度的加减速策略，确定各微小线段的加速、匀速、减速时间；

步骤四：将光顺与速度规划后的初步加工路径进行插补运算得到最终的加工路径。

作为本发明的另一种具体实施方案，步骤二中建立XOY平面坐标，以P_i-1、P_i、P_i+1为微小线段各转角的起点、转折点和终点，其中微小线段的几何特征包括：

为起点到转折点的方向；

为转折点到终点的方向；

为

到

的角平分线；

到

的转折角度

作为本发明的另一种具体实施方案，步骤2中各控制点的构造方式为：

其中B_i＝[x_i，y_i]^T：，i＝0，1…15为PH曲线的控制点；ε为光顺近似误差，控制多边形长度l、l′为：

通过将上述控制点代入

得到转角光顺C⁴的PH曲线，其中t是曲线参数，

是Bernstein基函数。

作为本发明的另一种具体实施方案，步骤二中所得到的初步加工路径包括线性路径段和PH曲线路径段。

作为本发明的另一种具体实施方案，步骤三中速度危险点位于每一PH曲线路径段的对称中心处。

作为本发明的另一种具体实施方案，步骤三中的前瞻速度规划包括正向扫描，正向扫描中需满足的约束条件包括插补弓高误差、最大法向加速度，最大加加速度、机床进给指令速度以及四次多项式跃度的加减速策略在最大加速度和最大加加速度下的约束，其中前瞻窗口大小为N1，正向扫描时初始化起点与窗口末端点的速度

为0，各危险点的正向扫描速度为：

v^f＝min(v^m、v^J、v^A)

其中，T_s表示插补周期，δ表示插补弓高误差，κ表示每个危险点的曲率，A_max表示最大法向加速度、J_max表示最大加加速度、F_cmd表示机床进给指令速度、v^m为插补弓高误差、最大法向加速度、最大加加速度、机床进给指令速度约束下的速度、v^J和v^A为四次多项式跃度加减速策略在最大加速度以及最大加加速度的约束下的速度。

作为本发明的另一种具体实施方案，步骤三中的前瞻速度规划还包括反向扫描，其中在危险点速度初步确定后进行反向扫描，以确保刀具能够停留在前瞻速度窗口大小为N1的末端点；反向扫描时，起点与窗口末端点

为0，反向扫描之后各危险点的速度为v＝min(v^f、v^J、v^A)。

作为本发明的另一种具体实施方案，步骤三中的各危险点速度最终确定之后，执行对各危险点之间的加减速类型进行判断的过程。

作为本发明的另一种具体实施方案，步骤四中线性路径段采用传统插补运算，PH曲线路径段采用FV迭代方式进行参数点求解从而实现插补运算。

作为本发明的另一种具体实施方案，步骤四中，若插补点处于线性路径段，插补点位置表示为：

其中S、E为线性段的起点和终点，A、B为两相邻转角的危险点，C(kTs)是曲线处于第k个插补周期位于S、E之间的点，A、S、E、C(kTs)点的弧长为S_A、S_S、S_E、

若插补点处于PH曲线段，采用FV迭代方式进行参数点求解从而实现插补运算，首先构造一个无速度波动的方程，然后通过FV迭代方法求解上述方程，其中Δs表示A点到插补点之间的弧长或者E点到插补点之间的弧长，方程为：

本发明具备以下有益效果：

本发明能够满足变螺旋角的微细钻头，提高所加工微细钻头的刚度，具有易于实时插补、降低速度波动、减小机床振动影响的优点，能够高速高精度地磨削微型钻头的变螺旋槽线。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明线性路径光顺的示意图；

图3是本发明前瞻速度规划的流程示意图；

图4是本发明加减速策略的流程示意图；

图5是本发明实时插补的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

本实施例提供了一种变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：提取要加工的变螺旋角的螺旋线(槽线)，将螺旋线分成多条等螺旋角曲线段，采用等弧度的方式离散各条等螺旋角曲线段，获得一系列的微小线段；

步骤二：读入各微小线段，并分别计算各微小线段的几何特征，通过构造控制点的方式将微小线段的转角通过PH曲线光顺，得到能够达到四阶参数连续性、曲率连续以及对称分布的初步加工路径；

如图1所示，其中，P_i-1、P_i、P_i+1为XOY平面微小线段各转角的起点、转折点和终点，微小线段的几何特征有：

为起点到转折点的方向；

为转折点到终点的方向；

为

到

的角平分线；

到

的转折角度

进一步的，如图2所示的PH曲线各控制点的位置信息以及分布情况，其中一种各控制点的构造优选规则如下：

其中B_i＝[x_i，y_i]^T：，i＝0，1…15为PH曲线的控制点；ε为光顺近似误差，控制多边形长度l、l′为：

通过将上述控制点代入

即可得到转角光顺C⁴的PH曲线，其中t是曲线参数，

是Bernstein基函数，此时所得到的初步加工路径由线性段以及PH曲线段混合组成。

步骤三：

在满足约束条件的同时，进行前瞻速度规划确定速度危险点的速度大小，并采用基于四次多项式跃度的S型加减速策略，确定各微小线段的加速、匀速、减速时间；

如图3所示出的前瞻速度规划流程，其中速度危险点位于每段转角光顺曲线的曲线对称中心处；

前瞻速度规划包括正向扫描和反向扫描。

正向扫描中考虑各种约束条件，包括：插补弓高误差、最大法向加速度，最大加加速度、机床进给指令速度以及四次多项式跃度的加减速策略在最大加速度以及最大加加速度的约束。

以前瞻窗口大小为N1，正向扫描时初始化起点与窗口末端点的速度

为0，各危险点的正向扫描速度为：

v^f＝min(v^m、v^J、v^A)

其中，T_s表示插补周期，δ表示插补弓高误差，κ表示每个危险点的曲率，A_max表示最大法向加速度、J_max表示最大加加速度、F_cmd表示机床进给指令速度、v^m为插补弓高误差、最大法向加速度、最大加加速度、机床进给指令速度约束下的速度、v^J和v^A为四次多项式跃度加减速策略在最大加速度以及最大加加速度的约束下的速度。

进一步的，在危险点速度初步确定之后进行反向扫描，以确保刀具能够停留在前瞻速度窗口大小为N1的末端点。

反向扫描时，起点与窗口末端点

为0，由于反向扫描时从末端点出发，相当于正向扫描从起点出发，因此反向扫描之后各危险点的速度为v＝min(v^f、v^J、v^A)。

再进一步的，在各危险点速度最终确定之后，需要对各危险点之间的加减速过程进行判断，具体先确定两个判据，位移l₁为加减速过程中恰好能够达到最大指令速度所达到的位移，位移l₂为加减速过程中恰好纯加速或者纯减速所达到的位移，具体为：

参见图4中示出的整个加减速判断的流程，其中v_s、v_s表示一个规划段的初速度和末端速度，l表示两危险点之间的弧长，T_a、T_c、T_d表示两危险点加减速过程的加速时间、匀速时间、减速时间。

具体的判断流程如下：

(1)如果始末速度的最大值等于指令速度，即max(v_s,v_e)＝F_cmd，则此段一定包含加速段或者减速段中的某一种，具体类型比较始末速度大小。加速段或者减速段的时间为

匀速段时间T_c由加速或者减速之后剩余的弧长决定，即通过1-(a)、1-(b)进行判断。若不等于指令速度，则进入流程(2)；

(a)若匀速段的时间

则说明此段确实包含匀速段，加减速类型为图4中的type1或者type2；

(b)若匀速段的时间T_c＜0，则说明在加减速策略之下，初始速度或者末端速度达不到；所以，需要速度调整，由

得出了始末速度与弧长的关系，现调整速度的规则(1)-(b)-i、(1)-(b)-ii；

i、若v_e＞v_s，先调整末端速度，即求解

如果求解得出的速度v_e(new)＞v_e(old)，则放弃调整末端速度，转而保持末端速度不变，调整初始速度，即求解

加减速类型则为图4中的type3；

ii、若v_e＜v_s，先调整初始速度，即求解

若求解的速度v_s(new)＞v_s(old)，则放弃调整初始速度，转而调整末端速度，即求解方程

加减速类型则为图4中的type4；

(2)如果该段的弧长大于l₁，说明此段一定包含加速、匀速和减速阶段，加减速类型则为图4中的type5；若小于l₁，则进入流程(3)。

(3)如果该段弧长小于l₂，说明此段一定为加速或者减速阶段中的某一种，具体类型比较始末速度大小；由于弧长弧长l小于判据l₂，初始速度或者末端速度达不到规划值，这时也需要速度调整，调整方法与(1)-(b)-i、(1)-(b)-ii相同，这里不再赘述；加减速类型则为图4中的type3或者type4；若大于l₂，则进入流程(4)。

(4)如果该段的弧长在l₁和l₂之间，说明该段只含有加速和减速。加减速类型则为图4中的type6。求解下列方程可得Ta，同时也能够求出Td：

具体的，六种类型的加减速时间求解结果显示在下表1中：

表1：时间求解结果

步骤4：

将光顺与速度规划后的初步加工路径进行插补运算，得到最终的加工路径。

如图5所示，若插补点处于线性路径，采用传统插补运算，插补点位置可表示为：

其中S、E为线性段的起点和终点，A、B为两相邻转角的危险点，C(kTs)是曲线处于第k个插补周期位于S、E之间的点，A、S、E、C(kTs)点的弧长为S_A、S_S、S_E、

若插补点处于PH曲线路径段，采用FV迭代方式进行参数点求解从而实现插补运算，具体为：

基于FV迭代的求解PH参数曲线的方法，首先构造一个无速度波动的方程，然后通过FV迭代方法求解上述方程，其中Δs表示A点到插补点之间的弧长或者E点到插补点之间的弧长：

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：提取需加工的变螺旋角微细钻头的螺旋线，将螺旋线分成多条等螺旋角曲线段，采用等弧度的方式离散各条等螺旋角曲线段，获得一系列的微小线段；

步骤二：读入各微小线段，并分别计算各微小线段的几何特征，通过构造控制点的方式将微小线段的转角通过PH曲线光顺，得到能够达到四阶参数连续性、曲率连续以及对称分布的初步加工路径；

步骤三：进行前瞻速度规划确定速度危险点的速度大小，并采用基于四次多项式跃度的加减速策略，确定各微小线段的加速、匀速、减速时间；

步骤四：将光顺与速度规划后的初步加工路径进行插补运算得到最终的加工路径。

2.如权利要求1所述的变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法，其特征在于，在步骤二中建立XOY平面坐标，以P_i-1、P_i、P_i+1为微小线段各转角的起点、转折点和终点，其中微小线段的几何特征有：

为起点到转折点的方向；

为转折点到终点的方向；

为

到

的角平分线；

到

的转折角度

3.如权利要求2所述的变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法，其特征在于，步骤二中各控制点的构造方式为：

其中B_i＝[x_i，y_i]^T，i＝0，1…15为PH曲线的控制点；ε为光顺近似误差，控制多边形长度l、l′为：

通过将上述控制点代入

得到转角光顺C⁴的PH曲线，其中t是曲线参数，

是Bernstein基函数。

4.如权利要求3所述的变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法，其特征在于，步骤二中所得到的初步加工路径包括线性路径段和PH曲线路径段。

5.如权利要求4所述的变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法，其特征在于，步骤三中速度危险点位于每一PH曲线路径段的对称中心处。

6.如权利要求5所述的变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法，其特征在于，步骤三中的前瞻速度规划包括正向扫描，正向扫描中需满足的约束条件包括插补弓高误差、最大法向加速度，最大加加速度、机床进给指令速度以及四次多项式跃度的加减速策略在最大加速度和最大加加速度下的约束，其中前瞻窗口大小为N₁，正向扫描时初始化起点与窗口末端点的速度

为0，各危险点的正向扫描速度为：

v^f＝min(v^m、v^J、v^A)

其中，T_s表示插补周期，δ表示插补弓高误差，κ表示每个危险点的曲率，A_max表示最大法向加速度、J_max表示最大加加速度、F_cmd表示机床进给指令速度、v^m为插补弓高误差、最大法向加速度、最大加加速度、机床进给指令速度约束下的速度、v^J和v^A为四次多项式跃度加减速策略在最大加速度以及最大加加速度的约束下的速度。

7.如权利要求6所述的变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法，其特征在于，步骤三中的前瞻速度规划还包括反向扫描，其中在危险点速度初步确定后进行反向扫描，以确保刀具能够停留在前瞻速度窗口大小为N₁的末端点；反向扫描时，起点与窗口末端点

为0，反向扫描之后各危险点的速度为v＝min(v^f、v^J、v^A)。

8.如权利要求7所述的变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法，其特征在于，步骤三中的各危险点速度最终确定之后，执行对各危险点之间的加减速类型进行判断的过程。

9.如权利要求4所述的变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法，其特征在于，步骤四中线性路径段采用传统插补运算，PH曲线路径段采用FV迭代方式进行参数点求解从而实现插补运算。

10.如权利要求9所述的变螺旋角微细钻头的磨槽加工方法，其特征在于，步骤四中，若插补点处于线性路径段，插补点位置表示为：

其中S、E为线性段的起点和终点，A、B为两相邻转角的危险点，C(kTs)是曲线处于第k个插补周期位于S、E之间的点，A、S、E、C(kTs)点的弧长为S_A、S_S、S_E、

若插补点处于PH曲线段，采用FV迭代方式进行参数点求解从而实现插补运算，首先构造一个无速度波动的方程，然后通过FV迭代方法求解上述方程，其中Δs表示A点到插补点之间的弧长或者E点到插补点之间的弧长，方程为：

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