CN102632433A - 基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法，三轴机床包括连接于工件，并用以控制工件旋转的旋转轴以及连接机床刀具，并用以分别控制刀具的摆动路线和切割深度的摆动轴和直线轴，该方法在三轴机床读取三维空间加工轨迹文件后，将三维空间坐标点进行数据点密化并转化为三维球面坐标点，再将三维球面坐标点转化为关于旋转轴、摆动轴和直线轴的机床坐标系切割点，从而可以利用三轴机床根据所述的机床坐标系切割点进行规则工件的曲面加工，并获得与五轴机床相同的加工效果，而且相较于五轴机床大幅降低了机床成本，并且本发明的基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法的操作简便易行，应用范围也较为广泛。

Description

基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法

技术领域

本发明涉及数控机床技术领域，特别涉及三轴机床应用技术领域，具体是指一种基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法。

背景技术

五轴机床，即五坐标联动数控机床，通常用于复杂曲面加工，例如汽轮机叶片、航空发动机零件等的加工。在加工这些零件时，五轴机床的刀具垂直于工件表面，加工表面光洁度高。但是五轴机床的成本较一般的三轴机床高出很多，价格昂贵，对于操作和应用等各方面的要求都极为严苛，不利于大规模地推广应用。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种基于三维控制的方法，在规则工件上切割，并能够获得与五轴机床相同的加工效果，从而有效地降低了机床成本，且操作简便易行，应用范围广泛的基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法。

三轴机床包括旋转轴、摆动轴和直线轴，所述的旋转轴连接于所述的工件，用以控制所述工件的旋转；所述的摆动轴和直线轴均连接机床刀具，用以分别控制刀具的摆动路线和切割深度。

为了实现上述的目的，本发明的基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法包括以下步骤：

(1)所述的三轴机床读取三维空间加工轨迹文件；

(2)所述的三轴机床将所述的三维空间加工轨迹文件转换为关于所述的旋转轴、摆动轴和直线轴的机床坐标系轨迹文件；

(3)所述的三轴机床根据所述的机床坐标系轨迹文件进行工件的曲面加工。

该基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法中，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：

(21)所述的三轴机床获得所述的三维空间加工轨迹文件中的三维空间坐标点；

(22)所述的三轴机床对由所述的三维空间坐标点构成的加工轨迹进行数据点密化；

(23)所述的三轴机床将所述的经过密化的三维空间坐标点转化为三维球面坐标点；

(24)所述的三轴机床将所述的三维球面坐标点转化为机床坐标系切割点；

(25)所述的三轴机床将所述的机床坐标系切割点存储为机床坐标系轨迹文件。

该基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法中，所述的三轴机床对由所述的三维空间坐标点构成的加工轨迹进行数据点密化，具体为：所述的三轴机床利用三维CAM软件对由所述的三维空间坐标点构成的加工轨迹进行数据点密化。

该基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法中，所述的三轴机床将所述的经过密化的三维空间坐标点转化为三维球面坐标点具体为：所述的三轴机床将经过密化的三维空间上的数据点(x，y，z)转换为对应的三维球面坐标系的坐标点(r，θ，Ψ)，其中：

$r=\sqrt{x^2+y^2+z^2};$

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{z};$

$\mathrm{\ψ}=\mathrm{arctg}\frac{y}{x}.$

该基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法中，所述的三轴机床将所述的三维球面坐标点转化为机床坐标系切割点，具体为：将所述的三维球面坐标系坐标点中的θ作为所述的旋转轴的位置；以所述的三维球面坐标系坐标点中的Ψ作为所述的摆动轴的位置；并根据所述的三维球面坐标系坐标点中的r以及实际切割点的位置、球面工件的半径和安全高度计算确定所述的直线轴的位置。

该基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法中，其特征在于，所述的三轴机床根据所述的机床坐标系轨迹文件进行工件的曲面加工，具体为：三轴机床根据所述的机床坐标系轨迹文件中的机床坐标系切割点进行工件的曲面加工。

采用了该发明的基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法，由于该方法在三轴机床读取三维空间加工轨迹文件后，将三维空间坐标点进行数据点密化并转化为三维球面坐标点，再将所述的三维球面坐标点转化为关于旋转轴、摆动轴和直线轴的机床坐标系切割点，从而可以利用三轴机床根据所述的机床坐标系切割点进行规则工件的曲面加工，并获得与五轴机床相同的加工效果，而且相较于五轴机床大幅降低了机床成本，并且本发明的基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法的操作简便易行，应用范围也较为广泛。

附图说明

图1为本发明的基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法中三轴机床的三轴结构设计示意图。

图2为本发明的基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法的步骤流程图。

图3为本发明的基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法在实际应用中三维空间到三维球面坐标系的转换示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

如图1所示，三轴机床包括旋转轴A、摆动轴B和直线轴C。所述的旋转轴A连接于待加工的工件，用以控制所述工件的旋转。所述的摆动轴B和直线轴C均连接机床刀具，用以分别控制刀具的摆动路线和切割深度。

在一种实施方式中，本发明的基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法，如图2所示，包括以下步骤：

(1)所述的三轴机床读取三维空间加工轨迹文件；

(2)所述的三轴机床将所述的三维空间加工轨迹文件转换为关于所述的旋转轴、摆动轴和直线轴的机床坐标系轨迹文件；

(3)所述的三轴机床根据所述的机床坐标系轨迹文件进行工件的曲面加工。

在一种较优选的实施方式中，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：

(21)所述的三轴机床获得所述的三维空间加工轨迹文件中的三维空间坐标点；

(22)所述的三轴机床对由所述的三维空间坐标点构成的加工轨迹进行数据点密化；

(23)所述的三轴机床将所述的经过密化的三维空间坐标点转化为三维球面坐标点；

(24)所述的三轴机床将所述的三维球面坐标点转化为机床坐标系切割点；

(25)所述的三轴机床将所述的机床坐标系切割点存储为机床坐标系轨迹文件。

在一种进一步优选的实施方式中，步骤(22)中所述的三轴机床对由所述的三维空间坐标点构成的加工轨迹进行数据点密化，具体为：所述的三轴机床利用三维CAM软件对由所述的三维空间坐标点构成的加工轨迹进行数据点密化。

在另一种进一步优选的实施方式中，步骤(23)所述的三轴机床将所述的经过密化的三维空间坐标点转化为三维球面坐标点具体为：如图3所示，将经过密化的三维空间上的数据点(x，y，z)转换为对应的三维球面坐标系的坐标点(r，θ，Ψ)，其中：

$r=\sqrt{x^2+y^2+z^2};$

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{z};$

$\mathrm{\ψ}=\mathrm{arctg}\frac{y}{x}.$

且所述的步骤(24)三轴机床将所述的三维球面坐标点转化为机床坐标系切割点，具体为：将所述的三维球面坐标系坐标点中的θ作为所述的旋转轴的位置；以所述的三维球面坐标系坐标点中的Ψ作为所述的摆动轴的位置；并根据所述的三维球面坐标系坐标点中的r以及实际切割点的位置、球面工件的半径和安全高度计算确定所述的直线轴的位置。

在更优选的实施方式中，所述的步骤(3)三轴机床根据所述的机床坐标系轨迹文件进行工件的曲面加工，具体为：三轴机床根据所述的机床坐标系轨迹文件中的机床坐标系切割点进行工件的曲面加工。

在实际的应用中：若摆动轴B轴长度为150mm，直线轴C轴的原点在B轴的末端，摆动轴B的原点为水平零点的机床结构，以在半径为100mm的球面工件上，切割出半径为50mm的圆盖为例，本发明的方法在该实例中，包括以下步骤：

(1)根据加工要求，将轨迹密化，数据点用(x，y，z)表示；

(2)将三维空间上的数据点(x，y，z)转换为对应的球面坐标系的坐标点(r，θ，Ψ)；

(3)将球面坐标系的坐标点(r，θ，Ψ)转换为对应的机床坐标系上的点(a，b，c)；

(4)对步骤(1)所密化的数据点，依次按照步骤(2)(3)处理，形成三维机床坐标系上的加工轨迹。

在所述的步骤(1)中的数据密化方法，一般三维CAM软件中均有涉及，满足加工精度要求的情况下，任选一种即可。

在所述的步骤(2)中的三维空间数据点转换为球面坐标系的公式为：

$r=\sqrt{x^2+y^2+z^2};$

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{z};$

$\mathrm{\ψ}=\mathrm{arctg}\frac{y}{x},$

则，三维空间上的坐标点(50,0，86.6)的位置，转化为球面上的位置为(50,0°，60°)。

在所述的步骤(3)中的球面坐标系转换为机床坐标系的方法具体是指，旋转轴A轴位置即球面坐标系中的θ；摆动轴B轴位置即球面坐标系中的Ψ；直线轴C轴位置，根据实际切割点的位置(即球面坐标系的r)、球面工件的半径和安全高度计算。球面上的位置(50,0°，60°)对应的机床坐标系的位置即为(0°，60°，-100)。利用该机床坐标系，即可通过三轴机床实现在半径为100mm的球面工件上，切割出半径为50mm的圆盖的加工。其它类似的规则工件的加工均可采用本发明的上述方法。

采用了该发明的基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法，由于该方法在三轴机床读取三维空间加工轨迹文件后，将三维空间坐标点进行数据点密化并转化为三维球面坐标点，再将所述的三维球面坐标点转化为关于旋转轴、摆动轴和直线轴的机床坐标系切割点，从而可以利用三轴机床根据所述的机床坐标系切割点进行规则工件的曲面加工，并获得与五轴机床相同的加工效果，而且相较于五轴机床大幅降低了机床成本，并且本发明的基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法的操作简便易行，应用范围也较为广泛。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (6)

1.一种基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法，其特征在于，所述的三轴机床包括旋转轴、摆动轴和直线轴，所述的旋转轴连接于所述的工件，用以控制所述工件的旋转；所述的摆动轴和直线轴均连接机床刀具，用以分别控制刀具的摆动路线和切割深度，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的三轴机床读取三维空间加工轨迹文件；

(2)所述的三轴机床将所述的三维空间加工轨迹文件转换为关于所述的旋转轴、摆动轴和直线轴的机床坐标系轨迹文件；

(3)所述的三轴机床根据所述的机床坐标系轨迹文件进行工件的曲面加工。

2.根据权利要求1所述的基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：

(21)所述的三轴机床获得所述的三维空间加工轨迹文件中的三维空间坐标点；

(22)所述的三轴机床对由所述的三维空间坐标点构成的加工轨迹进行数据点密化；

(23)所述的三轴机床将所述的经过密化的三维空间坐标点转化为三维球面坐标点；

(24)所述的三轴机床将所述的三维球面坐标点转化为机床坐标系切割点；

(25)所述的三轴机床将所述的机床坐标系切割点存储为机床坐标系轨迹文件。

3.根据权利要求2所述的基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法，其特征在于，所述的三轴机床对由所述的三维空间坐标点构成的加工轨迹进行数据点密化，具体为：

所述的三轴机床利用三维CAM软件对由所述的三维空间坐标点构成的加工轨迹进行数据点密化。

4.根据权利要求2所述的基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法，其特征在于，所述的三轴机床将所述的经过密化的三维空间坐标点转化为三维球面坐标点具体为：

所述的三轴机床将经过密化的三维空间上的数据点(x，y，z)转换为对应的三维球面坐标系的坐标点(r，θ，Ψ)，其中，

$r=\sqrt{x^2+y^2+z^2};$

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{z};$

$\mathrm{\ψ}=\mathrm{arctg}\frac{y}{x}.$

5.根据权利要求4所述的基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法，其特征在于，所述的三轴机床将所述的三维球面坐标点转化为机床坐标系切割点，具体为：

将所述的三维球面坐标系坐标点中的θ作为所述的旋转轴的位置；以所述的三维球面坐标系坐标点中的Ψ作为所述的摆动轴的位置；并根据所述的三维球面坐标系坐标点中的r以及实际切割点的位置、球面工件的半径和安全高度计算确定所述的直线轴的位置。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的基于三轴机床实现规则工件上进行曲面加工的方法，其特征在于，所述的三轴机床根据所述的机床坐标系轨迹文件进行工件的曲面加工，具体为：

三轴机床根据所述的机床坐标系轨迹文件中的机床坐标系切割点进行工件的曲面加工。

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