CN103092133A - 修边刃口避空的背铣刀三维数控加工刀具轨迹生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种针对冲压模具修冲刃口背铣刀数控加工的刀具轨迹插补方法，包括：步骤1，以三维修边线、背铣刀、刃口高度、刃口间隙、刃口避空深度等为输入参数；步骤2，将三维修边线投影到X-Y平面得到二维修边线；步骤3，将二维修边线沿材料侧法矢偏置一个距离d得到背铣刀刀具轨迹的二维曲线；步骤4，对三维修边线沿-Z方向偏置一个刃口高度H求出三维的下刃口曲线；步骤5，以一定步距求出三维下刃口曲线和二维刀具轨迹曲线对应的包罗点Z值高度，即可得到完整的修边刃口避空的背铣刀三维数控加工刀具轨迹。该方法运算简单，很好的保证了刃口高度的一致性，实现了刃口避空从正面的三维自动数控加工，尤其是针对形状复杂且Z向起伏变化比较大的大型冲压模具刃口轮廓。有效提高了加工效率并降低了操作人员的劳动强度，具有极其广阔的市场前景。

Description

修边刃口避空的背铣刀三维数控加工刀具轨迹生成方法

技术领域

本发明涉及数控机床加工领域的刀具轨迹规划方法。

背景技术：

修边刃口是冲压模具成型零件的关键部分。为了能顺畅落料，对刃口高度一般都有尺寸精度要求，过小则影响刃口强度，过大则落料不畅。对于没有精度要求的刃口或水平直线刃口，通常由人工控制机床完成加工。但在刃口高度和尺寸精度要求较高或刃口形状复杂时就必须借助数控加工来保证，最常见的做法是将模具倒置从反面加工，但这对大型模具来说是根本不能实现的。背铣刀又叫T型槽铣刀，可以在大型模具的正面完成修边刃口避空的加工，但现有的CAM软件还没有专门针对修边刃口避空的背铣刀加工策略。虽然其它加工策略可以辅助用于计算，但整个过程操作繁琐、费时费力，更重要的是刃口高度的尺寸精度无法保证，不能满足生产要求。

修边刃口避空的深度一般是1～2mm，由刀具在水平方向的位置(即X、Y坐标)来保证；刃口高度即上刃口线和下刃口线的法向距离，因模具而异一般为5～15mm。上刃口线的三维形状由产品模型决定，因此刃口高度的尺寸精度由下刃口线来保证，而下刃口线由背铣刀的上切削刃在空间包罗而形成。现有的CAM软件主要是针对球头刀和端铣刀等刀具的底刃或侧刃进行刀具轨迹计算，而没有针对背铣刀台阶部分切削刃的计算方法。

发明内容

本发明提出了一种修边刃口避空的背铣刀三维数控加工刀具轨迹生成方法。背铣刀可以不用翻转模具而直接从正面加工出刃口避空，用背铣刀的上切削刃去包罗下刃口线，从而得到修边刃口避空的背铣刀三维数控加工刀具轨迹。

本发明是通过下述技术方案实现的。

一种修边刃口避空的背铣刀三维数控加工刀具轨迹生成方法，包括以下步骤：

步骤1，以三维修边线、背铣刀、刃口高度、刃口间隙、刃口避空深度等为输入参数；

步骤2，将三维修边线投影到X-Y平面得到二维修边线；

步骤3，将二维修边线沿材料侧法矢偏置一个距离d得到背铣刀刀具轨迹的二维曲线；

步骤4，对三维修边线沿-Z方向偏置一个刃口高度H求出三维的下刃口曲线；

步骤5，以一定步距求出三维下刃口曲线和二维刀具轨迹曲线对应的包罗点Z值高度，即可得到完整的修边刃口避空的背铣刀三维数控加工刀具轨迹。

该方法运算简单，很好的保证了刃口高度的一致性，尤其是针对形状复杂且Z向起伏变化比较大的大型冲压模具刃口轮廓。实现了刃口避空从正面的三维自动数控加工，提高了加工效率并降低了操作人员的劳动强度。

附图说明

附图为本发明生成修边刃口避空的背铣刀三维数控加工刀具轨迹的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程。

如附图所示，为本发明生成修边刃口避空的背铣刀三维数控加工刀具轨迹的示意图，在修边刀1上的修边刃口由上刃口线2和下刃口线3组成，下刃口线之下则是刃口避空8，背铣刀为5，6为二维修边线，7是二维刀具轨迹线，4是最终生成的修边刃口避空的背铣刀三维数控加工刀具轨迹。

本实施例提供了一种修边刃口避空的背铣刀三维数控加工刀具轨迹生成方法，包括以下步骤：

步骤1，以三维修边线、背铣刀、刃口高度、刃口间隙、刃口避空深度等为输入参数：已知三维刃口的曲线参数P(t)＝(x(t)，y(t)，z(t))^T，t∈[a，b]；

步骤2，将三维修边线投影到X-Y平面得到二维修边线：三维刃口线在X-Y平面内投影的二维刃口曲线参数为： $\stackrel{\‾}{P}\left(t\right)={(x\left(t\right),y\left(t\right))}^T;$

步骤3，将二维修边线沿材料侧法矢偏置一个距离d得到背铣刀刀具轨迹的二维曲线：对二维刃口线偏置前必须知道曲线参数在X-Y平面内法向矢量

，对二维刃口线

求一阶导数得到切向矢量

，则法矢和切矢满足如下关系：。求解方程即可得到法向矢量

，其中常数c取决于加工时的材料侧；将二维刃口线沿材料侧法矢偏置一个距离d(刀具半径减去空档深度)，即可得到刀具轨迹的二维曲线参数

，为了避免刀具轨迹的自相交，需要对进行校验，去除自相交区间如t∈[a₁，b₁]；

步骤4，对三维修边线沿-Z方向偏置一个刃口高度H求出三维的下刃口曲线：首先对P(t)求一阶导数得到三维刃口曲线的切向量参数：

P′(t)＝(x′(t)，y′(t)，z′(t))^T，与曲线的法平面N(t)满足关系：P′(t)^T·N(t)＝0，由此求出法平面N(t)＝span{ξ₁，ξ₂}。法平面N(t)与过三维刃口曲线的竖直切平面span{P′(t)，(0，0，1)^T}的交线

就是三维刃口曲线在竖直方向的法向矢量，其求解方程为：

$[P^{\′}\left(t\right),\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right)]\·\left(\begin{array}{c}{k}_1\\ k_2\end{array}\right)=c_1{\mathrm{\ξ}}_1+c_2{\mathrm{\ξ}}_2$

调整k₁，k₂，c₁，c₂使上述方程成立，向量 $k_1{P}^{\′}\left(t\right)+k_2\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right)$ 经单位化后即为

沿法矢方向将三维刃口线偏置一个距离H，即可得到下刃口参数曲线 $M\left(t\right)=P\left(t\right)+H\·\stackrel{\→}{N}\left(t\right),t\∈[a,b];$

步骤5，以一定步距求出三维下刃口曲线和二维刀具轨迹曲线对应的包罗点Z值高度，即可得到完整的修边刃口避空的背铣刀三维数控加工刀具轨迹：对于二维刀具运动轨迹曲线

，当t＝e时，此时刀具侧刃所在的圆柱面与三维的下刃口线M(t)相交并满足如下公式：

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{\_}{Q}\left(e\right)\\ 0\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}R\·\cos \mathrm{\α}\\ R\·\sin \mathrm{\α}\\ Z\left(e\right)\end{array}\right)=M\left(t\right)$

其中Z(e)即为刀具在当前位置对应的Z坐标，圆柱面与三维曲线相交，一般会有两个以上交点，这里取最小值作为刀具运动轨迹的坐标值。对二维刀具运动轨迹曲线

以一定步长Δ进行插值并求取相应的Z坐标即可得到完整的三维刃口空档加工轨迹。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要指出的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (1)

1.一种修边刃口避空的背铣刀三维数控加工刀具轨迹生成方法，其特征在于依照下列步骤进行：(1)以三维修边线、背铣刀、刃口高度、刃口间隙、刃口避空深度等为输入参数；(2)将三维修边线投影到X-Y平面得到二维修边线；(3)将二维修边线沿材料侧法矢偏置一个距离d得到背铣刀刀具轨迹的二维曲线；(4)对三维修边线沿-Z方向偏置一个刃口高度H求出三维的下刃口曲线；(5)以一定步距求出三维下刃口曲线和二维刀具轨迹曲线对应的包罗点Z值高度，即可得到完整的修边刃口避空的背铣刀三维数控加工刀具轨迹。

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