CN102866671B - 大圆弧直纹面数控加工刀具轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大圆弧直纹面数控加工刀具轨迹规划方法，包括大圆弧直纹面面零件计算机辅助制造模型的建立；刀轴矢量计算；刀位点计算；数控加工刀具轨迹的规划四个步骤，其中给出了刀轴矢量、刀位点的计算公式，采用端铣刀进行粗加工、采用成型刀进行精加工，克服了插补法加工切削效率低、切削表面质量差的问题，提高了大圆弧直纹面加工表面精度及加工效率。

Description

大圆弧直纹面数控加工刀具轨迹规划方法

技术领域

本发明涉及一种数控加工刀具轨迹规划方法，特别是一种大圆弧直纹面数控加工刀具轨迹规划方法。

背景技术

大圆弧直纹面是数控加工比较常见的型面类型，但高效率高质量地完成大圆弧直纹面加工是机械加工领域内一直探索的技术问题。传统的大圆弧直纹面加工通常采用小圆弧逼近的加工方法。该方法利用球刀的球头半径进行圆弧面的的切削加工。这种切削方法球头刀中心部位线速度为零，切削质量差；并且直纹面的加工步距取决于球刀半径大小，由于这种切削方法刀具和工件的切削步距小，导致切削用量也比校小，刀具轨迹比较多，这直接造成大圆弧曲面切削加工时间长，加工效率低。但大圆弧直纹面若选用三轴设备加工只能选用球刀逼近法完成加工，加工效率低，表面质量较差，加工完成后还需要花大量的人工打磨时间。因此，大圆弧面零件的五轴加工是一种必然的选择，如中国专利《直纹面叶轮刀具轨迹规划加工方法》(CN101271326A)中公开了一种刀具轨迹规划加工方法，特别是一种直纹面叶轮的五轴加工方法。通过五轴加工中心对刀轴矢量的控制，选用端铣刀完成曲面的粗加工，选用与大圆弧直纹面曲率一样成型铣刀具完成大圆弧直纹面的切削加工。但在控制算法方面，现有方法只给出了大圆弧直纹面导轨三轴数控铣床球刀加工的点位算法，却没有给出端铣刀和成形铣刀刀心点或刀位点及刀轴矢量方向的计算方法，没有刀位点及刀轴矢量的计算，就无法在五轴设备上加工出高质量的大圆弧直纹面，只能在三轴设备上利用球刀插补完成近似大圆弧面的加工，最后利用人工比对样板完成大圆弧面的打磨；另外，从工艺的角度讲，要完成一个完整的大圆弧直纹面导轨加工，通常时按照粗加工圆弧面、半精加工圆弧面和精加工之样的顺序来完成的。现有方法也没有考虑大圆弧直纹面加工工艺的问题，没有提出大圆弧直纹面数控加工刀具轨迹规划方法。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种大圆弧直纹面数控加工刀具轨迹规划方法，利用该方法可以计算出五轴刀具轴矢量和刀位点、解决了大圆弧直纹面的五轴加工问题

具体方案为：

一种大圆弧直纹面数控加工刀具轨迹规划方法，包括以下步骤：

步骤一、大圆弧直纹面面零件计算机辅助制造模型的建立：由CAM软件读取导轨三维设计图中的圆弧数据，并通过拉伸圆弧截面求出大圆弧直纹面导轨的CAM模型；

步骤二、刀轴矢量的计算：建立计算刀轴矢量的数学模型；

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}=\arcsin \left(\frac{b*r}{R}\right)\\ \mathrm{\β}=\arcsin \left(\frac{0.5*W}{R}\right)-\mathrm{\α}\end{array}\right.$

其中上述方程中，α是步距角，r是选用的加工刀具半径，b是走刀步距系数，取值范围为0≤b≤1，R是被加工大圆弧直纹面的半径，β是被加工大圆弧直纹面的刀轴矢量角度，W是被加工大圆弧直纹面的宽度；

步骤三、刀位点的计算：将步骤二中的计算的初始刀轴矢量角β利用计算出步距角α分成有向线段，计算所得出刀轴矢量与大圆弧直纹面的交点就是刀位点的位置；

$\left\{\begin{array}{c}y=\sqrt{R^2-r^2}*\sin \left(\mathrm{\β}\right)\\ z=\sqrt{R^2-r^2}*\cos \left(\mathrm{\β}\right)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}y1=R*\sin \left(\mathrm{\β}\right)\\ z1=R*\cos \left(\mathrm{\β}\right)\end{array}\right.$

其中上述方程中，y为端铣刀刀位点的y向坐标值，z为端铣刀刀位点的z向坐标值，y1为成型刀刀位点的y向坐标值，z1为成形刀刀位点的z向坐标值，α是步距角，R是被加工大圆弧直纹面的半径，β是被加工大圆弧直纹面的初始角度；

步骤四、整体刀具轨迹的规划：大圆弧直纹面的粗加工、大圆弧直纹面的精加工；

本发明为大圆弧直纹面类型面数控加工提供了一套完整的刀具轨迹规划方法，本方法的应用将大大提高大圆弧直纹面导轨零件数控加工程序的编程效率，使大圆弧直纹面型面加工效率提高了5倍多，加工质量有了很大的改善，节省了人工打磨的工序；利用端铣刀进行粗加工，切削应力小，金属去除率高，利用成形刀进行大圆弧直纹面五轴精加工，与三轴球刀插补法加工相比，具有切削效率高，加工表面质量高，加工误差小的优点，克服了插补法加工切削效率低、切削表面质量差的问题；利用本方法加工出的大圆弧直纹面型面加工变形小、加工表面质量高、直纹面刀具轨迹分布均匀的特点，圆弧表面光洁度可达Ra1.6以上。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是大圆弧直纹面导轨三维设计图；

图3是刀轴矢量计算原理图；

图4是刀位点计算原理图。

具体实施方式

下面通过实例对本发明做进一步的说明，但是需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

具体实施例

如图1所示，本实施方式所述的大圆弧直纹面导轨刀具轨迹规划加工方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、大圆弧曲面导轨零件计算机辅助制造模型的建立：由CAM软件读取导轨设计图中的截面圆弧数据，并通过延圆弧截面的法方拉伸求出大圆弧直纹面导轨的CAM模型；在数控加工过程中，CAM模型的建立除了满足设计模型的外形要求外，还应充分考虑加工中的工艺数据，尺寸值一般按设计中的中值计算，圆弧直纹面的方向应尽量与实际加工方向一值。创建直纹面时建模公差一般要大于插值点的计算公差，保证曲面的光顺。在数控加工中，加工曲面的光顺性是一个重要发指标。光顺的刀具轨迹能够减少刀位点取值的数量，减少矢量轴的突变，近而减少机床各个插补轴频繁的加减速，使切削更加工平稳、流畅，提高被加工零件的表面质量。而采用可变刀轴矢量的算法可以有效减少取值点的数量，得到光顺的刀具矢量轨迹。

步骤二、刀轴矢量的计算：建立计算刀轴矢量的数学模型，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}=\arcsin \left(\frac{b*r}{R}\right)\\ \mathrm{\β}=\arcsin \left(\frac{0.5*W}{R}\right)-\mathrm{\α}\end{array}\right.$

其中上述方程中，α是步距角，r是选用的加工刀具半径，b是走刀步距系数，取值范围为0≥b≤1，主要根据所加工零件的材料与加工工况确定，R是被加工大圆弧直纹面的半径，β是被加工大圆弧直纹面的刀轴矢量角度，W是被加工大圆弧直纹面的宽度；

在五轴数控加工中，刀具轨迹的规划算法除了刀位点的计算方法和整体路径的规划算法外，还应包括刀轨矢量的计算方法。

刀轴矢量计算原理参考图3。如图3所示，设α是相邻刀轨之间步距角，r为所选用的加工刀具半径值，设b是走刀步距系数，取值范围为0≤b≤1，粗加工中我们一般取0.6～0.8之间，主要根据所加工零件的材料与加工工况确定，假设我们取b＝0.8，R为被加工大圆弧直纹面的半径，那么步距角为：

$\mathrm{\α}=\arcsin \left(\frac{0.8*r}{R}\right)$

设W是被加工大圆弧直纹面的宽度，β为被加工大圆弧直纹面的刀轴矢量角度，那么刀轴矢量角度为：

$\mathrm{\β}=\arcsin \left(\frac{0.5*W}{R}\right)-\mathrm{\α}$

我们只需根据实际情况，将W、R、r、α代入方程式中，就能求得刀轴矢量角度值。

步骤三、刀位点的计算：刀位点计算原理图如图4，P点为端铣刀的刀位点，C点为成形刀的刀位点，将步骤二中的计算的刀轴矢量角β利用计算出步距角α分成若干有向线段，计算所得出刀轴矢量与大圆弧直纹面的交点就是刀位点的位置；

端铣刀的刀位点坐标计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}y=\sqrt{R^2-r^2}*\sin \left(\mathrm{\β}\right)\\ z=\sqrt{R^2-r^2}*\cos \left(\mathrm{\β}\right)\end{array}\right.$

成形刀的刀位点坐标计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}y1=R*\sin \left(\mathrm{\β}\right)\\ z1=R*\cos \left(\mathrm{\β}\right)\end{array}\right.$

其中上述方程中，y为端铣刀刀位点的y向坐标值，z为端铣刀刀位点的z向坐标值，y1为成型刀刀位点的y向坐标值，z1为成形刀刀位点的z向坐标值，α是步距角，R是被加工大圆弧直纹面的半径，β是被加工大圆弧直纹面的矢量角度。

步骤四、整体刀具轨迹的规划：大圆弧直纹面的粗加工、大圆弧直纹面的精加工；

整体刀具轨迹规划方法的基本思想是：根据粗加工、精加工的特性，利用上述步骤中刀轴矢量和刀位点的计算方法，分别编写导轨的数控加工程序文件，这里加工坐标系选择在左端面圆弧底面的中心上。下面分别叙述大圆弧直纹面的粗加工、大圆弧直纹面的精加工的刀具轨迹规划方法：

一)、大圆弧直纹面导轨的粗加工：选用直径为20的端铣刀，步距角系数b选0.8，利用本专利提供的端铣刀的刀轴矢量和刀位点的计算方法，编制大圆弧面导轨的粗加工程序，通过修改端铣刀刀位点计算公式中的R值，实现不同余量的分层加工。二)、大圆弧直纹面导轨的精加工：选用直径为20的10参数的成形刀，步距角系数b选0.6，利用上述步骤中提供的成形刀的刀轴矢量和刀位点的计算方法，编制大圆弧面导轨的精加工程序，通过修改成形刀刀位点计算公式中的R值，实现圆弧加工精度的控制。步骤五、完成大圆弧直纹面零件的加工。

为了验证用本发明方法加工的大圆弧直纹面加工的正确性，在带有A、C轴的双摆头五轴龙门加工中心上实际加工了大圆弧直纹面导轨零件，该零件所用毛坯材料类型为定制型材，材料型号为LY12。在五轴机床加工之前，首先用本专利提出的刀轴矢量的计算方法、刀位点的计算方法和整体刀具轨迹方案进行刀具轨迹的规划，并编制五轴数控加工程序文件传输给数控系统，就可以进行加工。粗加工所采用的刀具为直径为20mm的端铣刀，精加工所采用的刀具直径为20mm的10参数成形刀。使用本专利提供的算法和分层切削的办法，分别取b＝0.8和b＝0.6完成大形圆弧直纹面的粗、精加工。仿真结果和实际加工结果完全一样，证明了算法的可行性。从加工的结果看，导轨表面加工变形小、加工表面质量高、直纹面刀具轨迹分布均匀，圆弧表面光洁度达Ra1.6以上，切削应力小，金属去除率高。另外本方法采用端铣刀和成形刀进行大圆弧直纹面五轴加工，与三轴球刀插补法加工相比，具有切削效率高，加工误差小的优点，加工表面质量高，省去了人工打磨工序，所以可以显著的提高加工效率，这一点已在实际生产中得到了充分验证。

Claims (4)

1.一种大圆弧直纹面数控加工刀具轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、建立大圆弧直纹面CAM模型；

第二步、建立计算刀轴矢量的数学模型，按以下公式计算刀轴矢量；

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}=\arcsin \left(\frac{b*r}{R}\right)\\ \mathrm{\β}=\arcsin \left(\frac{0.5*W}{r}\right)-\mathrm{\α}\end{array}\right.$

上述方程中，α是步距角；r是选用的加工刀具半径；b是走刀步距系数，取值范围为0≤b≤1；R是被加工大圆弧直纹面的半径；β是被加工大圆弧直纹面的刀轴矢量角度；W是被加工大圆弧直纹面的宽度；

第三步、将步骤二中的计算的初始刀轴矢量角β利用计算出步距角α分成有向线段，计算刀位点的位置；

$\left\{\begin{array}{c}y=\sqrt{R^2-r^2}*\sin \left(\mathrm{\β}\right)\\ z=\sqrt{R^2-r^2}*\cos \left(\mathrm{\β}\right)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}y1=R*\sin \left(\mathrm{\β}\right)\\ z1=R*\cos \left(\mathrm{\β}\right)\end{array}\right.$

上述方程中，y为端铣刀刀位点的y向坐标值；z为端铣刀刀位点的z向坐标值；y1为成型刀刀位点的y向坐标值；z1为成形刀刀位点的z向坐标值；α是步距角；R是被加工大圆弧直纹面的半径；β是被加工大圆弧直纹面的初始角度；

第四步、根据上述两步计算出的刀轴适量和刀位点，按大圆弧直纹面的粗加工、精加工顺序完成刀具轨迹规划。

2.如权利要求1所述的大圆弧直纹面数控加工刀具轨迹规划方法，其特征在于，第一步中按大圆弧直纹面设计的中值设定模型尺寸值，模型公差大于插值点的计算公差，模型中圆弧直纹面的方向与实际加工方向一值。

3.如权利要求2所述的大圆弧直纹面数控加工刀具轨迹规划方法，其特征在于，第二步中b的取值范围为0.6~0.8。

4.如权利要求3所述的大圆弧直纹面数控加工刀具轨迹规划方法，其特征在于，第四步中，选用直径为20的端铣刀，步距角系数b选0.8，修改端铣刀刀位点计算公式中的R值，实现不同余量的分层加工，完成大圆弧直纹面的粗加工；选用直径为20的10参数的成形刀，步距角系数b选0.6，修改成形刀刀位点计算公式中的R值，实现圆弧加工精度的控制，完成大圆弧直纹面的精加工。