CN101462239A - 双线驱动曲面宽行加工刀轨规划的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双线驱动曲面宽行加工刀轨规划的方法，首先根据设定的走刀方向确定第一驱动线，并根据刀具和曲面的性质及加工误差的要求，确定刀具与曲面的两个刀触点及第二驱动线；然后，通过第一驱动线和第二驱动线对刀具进行重新定位，使刀具的每个刀位都与曲面在第一驱动线和第二驱动线上分别相切触。使每个刀位上的两个刀触点沿着这两条驱动线移动，使相邻行刀轨在衔接处的包络特征线能够相切，从而使相邻刀轨之间光滑过渡，消除刀轨衔接处的尖锐残高、缩短手工抛磨时间。具有较高的加工效率和加工质量。

Description

双线驱动曲面宽行加工刀轨规划的方法

技术领域

本发明涉及一种数控机床加工曲面的刀轨规划方法，尤其涉及一种双线驱动曲面宽行加工刀轨规划的方法。

背景技术

利用具有复杂结构的环面刀具和鼓形刀具加工自由曲面可以有效地增加行宽和降低波纹度，因此近年来得到极大的发展。并以增加行距宽度和降低波纹度成为曲面加工的重要发展方向。

现有技术中，自由曲面的刀轨规划方法有多种方法。

现有技术一，采用刀触点连接相邻行以实现刀轨规划的方法，利用上一行刀轨上的所有刀位的有效特征线段的一个同侧端点的连线构成下一行刀轨的有效特征线段的另一端端点的驱动线；

现有技术二，按照每行刀轨上各刀触点所求各个刀位最大行宽中的最窄行宽进行刀轨规划的方法，这样不仅可以最大限度提高加工行宽而且能够兼顾刀轨的光顺和平直。

上述现有技术至少存在以下缺点：

如图1所示，现有技术一的方法规划的刀轨会导致后续的刀轨严重畸变，这不仅使后续刀轨的有效行宽受到影响，而且会导致机床在高加速度下运行，这种情况不利于提高效率和加工质量。

如图2所示，现有技术二的方法不可避免的尖锐残高将严重影响曲面的加工质量并增加人工抛光的工作量。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有较高的加工效率和加工质量的双线驱动曲面宽行加工刀轨规划的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的双线驱动曲面宽行加工刀轨规划的方法，包括步骤：

A、根据加工的要求设定走刀方向，并根据所述走刀方向确定第一驱动线；

B、将所述第一条驱动线上离散成多个第一刀触点，根据刀具和曲面的性质及加工误差的要求，找出所述多个第一刀触点分别对应的最优刀位和最大行宽，从而确定每个第一刀触点相对应第二刀触点；

C、根据所述最大行宽中的最窄行宽，按预定的规划原则确定第二驱动线；

D、通过所述第一驱动线和第二驱动线对所述刀具进行重新定位，使所述刀具的每个刀位都与所述曲面在所述第一驱动线和第二驱动线上分别相切触。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的双线驱动曲面宽行加工刀轨规划的方法，由于首先设定的走刀方向确定第一驱动线，并根据刀具和曲面的性质及加工误差的要求，找出第一驱动线上所有刀触点对应的最优刀位和最大行宽，从而确定相应第二刀触点；其次，找出所有最大行宽中的最窄行宽，从而按某种规划原则确定第二驱动线；然后，通过第一驱动线和第二驱动线对刀具进行重新定位，使刀具的每个刀位都与曲面在第一驱动线和第二驱动线上分别相切触。使每个刀位上的两个刀触点沿着这两条驱动线移动，使相邻行刀轨在衔接处的包络特征线能够相切，从而使相邻刀轨之间光滑过渡，消除刀轨衔接处的尖锐残高、缩短手工抛磨时间。具有较高的加工效率和加工质量。

附图说明

图1为现有技术一中后续刀轨累积畸变示意图；

图2为现有技术二中刀轨等参数排列时形成的尖锐残高示意图；

图3a、图3b为本发明中刀具与工件设计曲面的两个刀触点的分布示意图；

图4为本发明中两行刀轨上多个刀位的衔接原理图；

图5为本发明中双线驱动宽行加工曲面的示意图；

图6为本发明中双线驱动的刀轨规划示意图；

图7为本发明中刀轨规划的具体实施例的流程图。

具体实施方式

本发明的双线驱动曲面宽行加工刀轨规划的方法，其较佳的具体实施方式是，包括：

步骤A、根据加工的要求设定走刀方向，并根据走刀方向确定第一驱动线；

步骤B、根据刀具和曲面的性质及加工误差的要求，确定刀具与曲面的两个刀触点，分别为第一刀触点和第二刀触点，并将所述第一刀触点设于所述第一驱动线上。具体可以：

首先，将所述第一驱动线离散成多个第一刀触点；然后，根据每个第一刀触点对应的最优刀位和最大行宽确定相应的第二刀触点。也可以采用其它的方法对刀具与曲面的两个刀触点进行确定。

步骤C、找出所有最大行宽中的最窄行宽，从而按某种规划原则确定第二驱动线。具体可以：

首先，对多个第一刀触点对应的最优刀位和最大行宽进行比较；然后，找出所有最大行宽中的最窄行宽，并以该最窄行宽为本行刀轨的行宽，确定第二驱动线。也可以采用其它的方法对第二驱动线进行确定。

步骤D、通过第一驱动线和第二驱动线对刀具进行重新定位，使刀具的每个刀位都与曲面在第一驱动线和第二驱动线上分别相切触。包括对刀具的刀轴矢量和刀心位置矢量进行确定等。

上述的步骤D之后还包括：

以第二驱动线作为下一行刀轨的第一驱动线，并重复步骤B—D，直到遍历整个曲面。

本发明通过设置两条驱动线并令每个刀位上的两个刀触点沿着这两条驱动线移动使相邻行刀轨在衔接处的包络特征线能够相切，从而使相邻刀轨之间光滑过渡，消除刀轨衔接处的尖锐残高、显著缩短手工抛磨时间。

本发明的双线驱动曲面宽行加工刀轨规划的方法的基本原理：

多点法指出，利用环面刀具加工自由曲面时，刀具和工件之间存在两个以上刀触点。合理选择刀位可以使两刀触点之间的距离或该距离线段在垂直于进给方向平面的投影长度(刀触点间行宽)达到最大化，也可以使有效特征线段端点之间的距离或该距离线段在垂直于进给方向平面的投影长度(端点间行宽)达到最大化，此时刀具和工件设计曲面能实现密切贴合，在控制误差一定时可以显著增加加工行宽，从而大幅度提高加工效率。

如图3a、图3b所示，h为给定的曲面公差，当刀具与工件设计曲面的一个刀触点c_j，l，1给定时，那么另一个刀触点存在于工件曲面上的一条连续曲线c＇_j，2c_j，2c″_j，2上，而且随着刀触点间距离的减小，最大加工误差δ也减少。

双线驱动刀轨规划的基本原理如下：

首先，找出一行刀轨上(即第一驱动线P_i)所有刀触点对应的最优刀位和最大行宽，并确定相应的第二刀触点；

其次，找出所有最大行宽中的最窄行宽，并以该最窄行宽为准确定第二驱动线tp_i+1；

然后，分别在这两条驱动线上重新定位刀具，使每个刀位都与工件曲面在两驱动线上相切触；

最后，后续刀轨以前面刀轨为基准顺序相切排列，直到遍历整个曲面。

具体实施例：

以一行中两刀触点之间的距离在与进给方向垂直平面投影距离为最小的刀位作为基准刀位，令其一个刀触点在上一行的边界线上滑动，并设定一条通过其另一个刀触点的曲线(如与上一边界构成有一定距离的等参数线或等截面线)作为本行的边界线，再令本行上其它刀位的两个刀触点必须位于这两条曲线上，这样就可以保证行与行之间始终在刀触点处衔接，从而实现一阶切触衔接。

具体实施方法如图4所示，对于给定的工件曲面∑，一般按照曲面的总体结构、曲面上主曲率方向的分布和特定的加工工艺要求，编程人员可以预先确定刀轨的走向和相邻刀轨的排列方式。如错误！未找到引用源。所示，工件曲面∑，tp_i是工件曲面∑上的第i行刀轨的左驱动线(即第i行刀轨中刀具上左侧切触点的轨迹)，设在其上取5个采样点作为各相应刀位的第一切触点c_i，j，j＝0，1，2，3，4，对于每个采样点利用多点法分别求解满足给定最大加工误差要求的相应刀位上的第二切触点cr_i，j，j＝0，1，2，3，4，这些第二切触点的连线称为实际右驱动线tp_rj，并得到相应的加工行宽w_i，j，j＝0，1，2，3，4。比较以上这些行宽w_i，j，然后以最窄的加工行宽w_min＝min{w_i，j}＝w_i，2作为本行刀轨的加工带宽(见错误！未找到引用源。)。随后，可以按照与左驱动线tp_i成一定参数距离或其它关系的等参数、等截面线等方法确定本行刀轨的右驱动线tp_i+1(即第i行刀轨中刀具上右侧切触点的轨迹)即相邻下一行刀轨的左驱动线。然后，再利用多点法对于左驱动线tp_i上第一切触点c_i，j，j＝0，1，2，3，4分别求解位于右驱动线tp_i+1上第二切触点c_i+1，j，j＝0，1，2，3，4，以及所对应的刀位和刀轴矢量。最后，重新生成了工件曲面∑上的第i行刀轨。如图5所示，为双线驱动宽行加工曲面∑的示意图。

双线驱动宽行加工刀轨规划的计算方法：

刀具路径规划好坏将直接影响曲面的加工效率和加工质量，因此刀轨规划在曲面加工中具有十分重要的意义。本发明的双线驱动宽行加工刀轨规划策略主要着眼于提高工件曲面的表面质量以及消除刀轨之间尖锐的残高，从而减少了手工抛磨的时间。最后，只需少量的抛光，即可完成整个工件曲面的加工，因此工件曲面总加工时间将会缩短，加工效率将得到提高。双线驱动宽行加工刀轨规划的具体计算步骤如下所述：

如图6所示，首先，通过分析给定的参数曲面的性质，事先确定刀具最佳走刀方向。如错误！未找到引用源。所示，工件曲面加工的刀轨规划在参数域中描述，曲面在参数域中的加工范围为u∈[u_min，u_max]，v∈[v_min，v_max]。假设刀具沿v参数方向走刀，u_min代表曲面加工的起始边界，u_max代表曲面加工的终止边界，tp_i代表第i行刀轨的左驱动线，tp_ri是由第i行刀轨左驱动线tp_i利用多点法求解满足给定最大欠切误差要求的相应最优刀位所对应的实际右驱动线，tp_i+1是由实际右驱动线tp_ri按一定的原则重新规划所确定右驱动线，也即第i+1行刀轨左驱动线。设c_j，1为tp_i上第j个切触点，ρ为参数圆π的参数半径，为参数圆半径ρ与曲面上点c_j，1的u向切矢之间的夹角，c_j，2是由切触点c_j，1在刀轨右驱动线tp_i+1上所求得的刀具与曲面之间的第二个切触点，即参数圆π与刀轨右驱动线tp_i+1的交点。

双线驱动的刀轨规划方法的流程图如图7所示，具体刀轨规划的过程如下：

1.给定曲面的加工范围u∈[u_min，u_max]，v∈[v_min，v_max]，及曲面给定的加工公差h。

2.设曲面加工的第i行刀轨的左驱动线tp_i，i＝0，1，2，...，如错误！未找到引用源。所示，其中u＝u_i，u₀＝u_min。

3.将刀轨左驱动线tp_i离散成M+1个切触点c_j，1，(j＝0，1，2，...，M)作为tp_i上的第一切触点，如错误！未找到引用源。所示。

4.对于刀轨tp_i上的

利用多点法分别求解满足给定最大欠切误差h要求的相应刀位上的第二切触点cr_j，2，j＝0，1，2，3，...，M，从而求得

的最优行宽w_i，j。

5.判断j>M？，是，继续；否，j＝j+1，转到步骤4。

6.求解刀轨tp_i上所有切触点c_j，1所对应的行宽w_i，j中最窄的行宽w_i，min＝min{w_i，j}，j＝0，1，2，...，M。

7.确定刀轨tp_i的右驱动线tp_i+1即第i+1行刀轨的左驱动线，u_i+1＝u_i+w_i，min。

8.利用多点法重新计算第i行刀轨tp_i上

在其右驱动线tp_i+1所对应的右切触点c_j，2，j＝0，1，2，3，...，M，uv_ri[0]＝uv_li[0]+w_i，min，uv_ri[1]＝uv_li[1]+w_i，mintanφ，其中，uv_ri[2]为切触点c_j，2的u和v参数值，uv_li[2]为切触点c_j，1的u和v参数值。

9.由第i行刀轨左驱动线上的切触点c_j，1和相应右驱动线上的c_j，2确定刀具位置t_pos和刀轴矢量t_axis。

10.判断j>M？，是，继续；否，j＝j+1，转到步骤8。

11.判断刀轨tp_i的右驱动线tp_i+1是否超出了曲面加工的最大边界u_max即u_i>u_max？，是，曲面加工完毕，程序结束；否，i＝i+1，u_i＝u_i-1，转到步骤2。

通过测试曲面对本发明进行实验验证：

采用环心圆半径为5mm，截圆半径为3mm的圆环面刀进行加工，给定的加工误差为0.01mm。

设定刀具的走刀方向，并取初始路径u_min＝0，将每行离散100个刀触点，生成一行刀触点轨迹，每行上取10个采样点计算最优的行宽，生成刀具路径，总共17行刀轨，把生成的刀位文件在Vericut中进行模拟仿真加工。

加工后的结果表明，欠切误差在0.005~0.01mm之间，满足给定的加工公差要求，两行刀轨之间是光滑过渡的，无任何尖锐的残高。仿真结果表明，本发明的刀轨规划方法确实能保证两行刀轨衔接处无尖锐的残高、且两行刀轨之间能光滑过渡，从而提高了工件曲面的表面质量。

本发明基于环面刀具和加工曲面存在两个以上刀触点的原理和刀具上第二刀触点存在于一条连续曲线之上的原理，提出了一种双线驱动宽行加工刀轨规划策略，使两行刀轨在衔接处分别都与加工曲面相切触，从理论上消除了尖锐残高，同时消除现有技术中的刀轨规划的刀轨累计畸变，为实现高质量的自动化“抛磨”和“抛铣”提供了理论基础和基本方法，可用于提高工件曲面的加工质量、缩短手工抛磨时间。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种双线驱动曲面宽行加工刀轨规划的方法，其特征在于，包括步骤：

A、根据加工的要求设定走刀方向，并根据所述走刀方向确定第一驱动线；

B、将所述第一条驱动线上离散成多个第一刀触点，根据刀具和曲面的性质及加工误差的要求，找出所述多个第一刀触点分别对应的最优刀位和最大行宽，从而确定每个第一刀触点相对应第二刀触点；

C、根据所述最大行宽中的最窄行宽，按预定的规划原则确定第二驱动线；

D、通过所述第一驱动线和第二驱动线对所述刀具进行重新定位，使所述刀具的每个刀位都与所述曲面在所述第一驱动线和第二驱动线上分别相切触。

2、根据权利要求1所述的双线驱动曲面宽行加工刀轨规划的方法，其特征在于，所述步骤C中，首先，对多个所述第一刀触点对应的最优刀位和最大行宽进行比较；

然后，找出所有最大行宽中的最窄行宽，并以该最窄行宽为本行刀轨的行宽，确定所述第二驱动线。

3、根据权利要求1或2所述的双线驱动曲面宽行加工刀轨规划的方法，其特征在于，所述步骤D之后还包括：

以所述第二驱动线作为下一行刀轨的第一驱动线，重复步骤B—D，直到遍历整个曲面。

4、根据权利要求3所述的双线驱动曲面宽行加工刀轨规划的方法，其特征在于，所述步骤D中，对所述刀具进行重新定位包括对所述刀具的刀轴矢量和刀心位置矢量进行确定。

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