CN103176426B - 一种针对螺杆铣削加工的刀具干涉检查方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对螺杆铣削加工的刀具干涉检查方法，包括：步骤（1）获取螺杆的设计尺寸和参数并输入计算机，生成螺杆实体；步骤（2）针对螺杆选取投影面，对螺杆的螺旋面进行螺旋投影数据处理，在投影面内得到螺杆的螺旋投影；步骤（3）获取铣削刀具数据并自动录入到计算机，生成刀具实体；步骤（4）读取刀位点数据，对刀具进行螺旋投影数据处理，在步骤（2）所选取的投影面上得到刀具投影区域；步骤（5）干涉判断；步骤（6）结束判断，判断该刀位点是否最后一点，若是最后一点则既可结束判断，如若不是，则重复步骤（4）、（5）、（6）。

Description

一种针对螺杆铣削加工的刀具干涉检查方法

技术领域

本发明属于零件的数控加工领域，特别是复杂螺杆类零件数控铣削加工中的刀具干涉检查方法。

背景技术

螺杆被广泛用于石油、化工、橡胶、塑料、造纸等机械行业中的原料加压、输送及混合工序当中。螺杆泵、螺杆马达(钻具)、螺旋挤压机、螺杆式气体压缩机等设备的应用日益广泛。随着特殊工艺的要求，出现了各式各样的异型螺杆，包括变螺距螺杆、变深距螺杆、锥形螺杆、变棱宽螺杆、曲线槽螺杆。这些异型螺杆是压缩机、冷冻机、注塑机、自动包装线等设备的关键性基础零件，螺杆的加工质量直接影响这些设备的性能。

当今螺杆的高效数控加工方法主要有两类，一类是比较成熟的成形铣削，另一类是近几年出现的无瞬心包络法和内旋风包络铣削法。成形铣削法对铣削刀具要求比较高，螺杆螺旋面的形线完全由刀具的刃形来决定，使得成形铣刀的设计和制造十分困难。无瞬心包络法和内旋风包络铣削法比较适合加工复杂、异形螺杆，但在加工过程中刀刃与螺旋面之间的包络轨迹呈复杂的空间关系，计算非常复杂。由于这些螺杆的螺旋面比较复杂，在数控加工过程中刀具路径轨迹的计算非常复杂，很难保证加工过程中没有过切、欠切和碰撞产生。这就需要对刀具路径进行干涉检验（即刀具干涉检查），可以说刀具干涉检验是在数控加工过程中保证加工精度和表面质量的关键。

鉴于干涉检查在数控加工中的重要作用，长久以来国内外学者对此做了大量的研究，并且针对不同的加工对象提出了许多方法。其中发展比较成熟的是二十世纪80年代末Hansen提出的刀具干涉检查的投影法，至今在UGⅡ中的许多功能模块中均采用了这种思想。这种方法的基本思想是：假设刀具位于曲面上方的某个不干涉的初始位置，想象刀具向下运动直到和待加工曲面刚好接触为止，通过分割待加工曲面，把问题转化为求刀具沿给定方向运动直到和有界小三角片相触时的接触点，即为所求刀触点，用这个刀触点偏置得到的刀位点一定不会同曲面发生干涉。Hansen所说的投影是指把刀具上的点沿直线方向投影到待检测的曲面上。二十世纪90年代，冉瑞江、马德昌等对Hansen投影法进行改进，并称之为投影法。这种改进投影法的基本思想与Hansen的投影法相同，只是在求刀具曲面嵌入被检查曲面的深度时采用了相反的策略，不再离散(分割)待检查曲面，而离散刀具曲面。另外干涉检查方法还有迭代法、等距面法、截面验证法、偏置面法等。

这些方法具有一定的普适性，原则上可以应用到螺杆的铣削干涉检查，但由于螺杆自身几何和结构的特殊性，在对螺杆的干涉检查时存在着很多问题，比如需要耗费大量的计算时间，有时甚至超出计算机的计算能力，数据点处理时存在重复性、处理效率太低、计算复杂等。由于螺杆的结构特异性和工艺要求的特殊性，这些方法在干涉检查过程中难以准确的寻找出干涉区域和准确的判断出是否发生干涉。如果要精确地检查刀具与螺旋曲面的干涉情况，则必须大大增加干涉检查的数据处理点，在应用这些方法进行干涉检查时，重复处理的数据点将极大的提高，系统的存储需求和计算量都大大增加，处理效率下降，增加了积累误差。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种针对螺杆铣削加工的干涉检查方法。

一种针对螺杆铣削加工的刀具干涉检查方法，包括以下步骤：

步骤（1）获取螺杆的设计尺寸和参数并输入计算机，生成螺杆实体；

步骤（2）针对螺杆选取投影面，根据螺旋投影算法对螺杆的螺旋面进行螺旋投影数据处理，即将螺杆的螺旋面投射到选定的投影面上，由此在投影面内得到螺杆的螺旋投影；

步骤（3）获取铣削刀具数据并自动录入到计算机，生成刀具实体；

步骤（4）读取刀位点数据，然后在步骤（2）中所述的投影面内，根据螺旋投影理论对刀具进行螺旋投影数据处理，生成刀具在该刀位点时在投影面内的螺旋投影区域；刀具螺旋投影过程中所用到的螺旋投射线与步骤（2）中的相同；

步骤（5）根据步骤（2）生成的螺杆的螺旋投影和步骤（4）生成的刀具螺旋投影，对螺杆的螺旋投影和刀具投影区域进行干涉判断；该干涉判断过程包括螺杆的螺旋投影与刀具投影区域位置关系的判断、三种位置关系的分类处理、过切与欠切刀位点数值的记录和反馈；

步骤（6）结束判断，判断该刀位点是否最后一点，若是最后一点则既可结束判断，如若不是，则重复步骤（4）、（5）、（6）。

步骤（2）所述的投影面为垂直于螺杆轴线的任意平面。

所述的投影面在螺杆实体之外且投影面与螺杆端面之间的距离为螺杆导程的整数倍。

步骤（2）所述的螺旋投影所用到的投射线是与螺杆同轴、同旋向、同导程的螺旋线。

所述的步骤（2）的具体步骤如下：根据该螺杆的尺寸和参数，选取投影面，根据螺旋投影算法对螺杆的螺旋面进行螺旋投影数据处理，得到螺旋面在投影面内的螺旋投影廓形；根据螺旋投影理论，得出廓形不再随着螺旋面与投影面之间距离的改变而发生位置和角度的变化，即廓形在投影平面内不再变化。

所述的步骤（5）中的干涉判断过程包括螺杆的螺旋投影与刀具投影区域位置关系的判断、三种位置关系的分类处理、过切与欠切刀位点数值的记录和反馈；通过判断投影平面内螺杆的螺旋投影与刀具投影区域的位置关系，并根据得到的位置关系进行分类处理，得出在该刀位点处是否发生干涉；所述的位置关系包括相交、相切和相离，若相交则说明在此刀位点处存在过切现象，记录过切刀位点信息，把该刀位点数值记录并反馈给系统；若相切，则说明不干涉，不需要记录该刀位点数值和状态；若相离则说明在此刀位点处存在欠切现象，则记录欠切刀位点信息，把该刀位点数值记录并反馈给系统。

该方法把螺杆的干涉检查转化到某一特定的平面（投影面）上，即把螺杆的螺旋面和刀具曲面都投射（螺旋投射）到同一个平面上。经过螺旋投射，整个螺杆实体上所有的螺旋面在投影面上的投影是固定不变的，投影面上的投影不再随着螺旋面与投影面之间的距离的变化产生位置和角度的改变。对于任意刀具位置，只需要在二维平面中判断出螺旋面的螺旋投影和刀具投影区域的位置关系，就可以快速准确的判断出是否干涉。因此，该方法可以极大地减少重复处理的数据点，降低系统的存储要求和计算量，提高干涉判断的效率和精度。

本发明的有益效果：

①该方法把螺杆的干涉检查由三维空间转化到二维平面上进行，从而复杂的三维空间干涉检查可以转变为在二维平面上判断螺杆螺旋面的螺旋投影和刀具投影区域的位置关系，使螺旋曲面的干涉检查变得容易，极大地提高干涉判断的效率；

②该方法把螺杆的螺旋面和刀具曲面螺旋投射到同一平面上，在不用离散螺旋面的情况下就可以快速判断出干涉区域，避免了在寻找干涉区域时需要采用的复杂算法，降低了对系统计算和存储能力的要求；

③该方法使螺旋面的螺旋投影不再随着螺旋面与投影面之间距离的改变而发生位置和角度的变化，大大减少螺杆干涉检查时重复处理的数据点，从而可以减少在处理数据点时所产生的积累误差，提高干涉检查的精度。

④由于上述特点，本发明可以有效提高螺杆铣削加工的效率，减少废品率和事故，降低生产成本。

附图说明

图1螺旋投影示意图；

图2螺杆实体示意图；

图3螺杆在投影面内的螺旋投影示意图；

图4干涉判断示意图；

图5实现方法流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

本发明包括以下步骤：

步骤（1）获取螺杆的设计尺寸和参数并输入计算机，生成螺杆实体；

步骤（2）针对螺杆选取投影面，根据螺旋投影算法对螺杆的螺旋面进行螺旋投影数据处理，即将螺杆的螺旋面投射到选定的投影面上（螺旋投影所用到的投射线必须是与螺杆同轴、同旋向、同导程的螺旋线），由此在投影面内得到螺杆的螺旋投影（根据螺旋投影理论，螺杆的螺旋投影为一个确定的封闭廓形，详见后面的详细说明中的方法原理）；

步骤（3）获取铣削刀具数据（型号、尺寸等）并自动录入到计算机，生成刀具实体；

步骤（4）读取刀位点数据，然后在步骤（2）中所述的投影面内，根据螺旋投影理论对刀具进行螺旋投影数据处理（螺旋投影过程中所用到的螺旋投射线与步骤2中的相同），生成刀具在该刀位点时在投影面内的螺旋投影区域；

步骤（5）根据步骤（2）生成的螺杆的螺旋投影和步骤（4）生成的刀具螺旋投影（即刀具投影区域），对螺杆的螺旋投影和刀具投影区域进行干涉判断；

步骤（6）结束判断，判断该刀位点是否最后一点，若是最后一点则既可结束判断，如若不是，则重复步骤（4）、（5）、（6）。

所述的投影面可以是垂直于螺杆轴线的任意平面，一般选取的投影面在螺杆实体之外且投影面与螺杆端面之间的距离为螺杆导程的整数倍（这样可以使螺杆的螺旋投影完全反映螺杆端面的实际形状）。

所述的投射线是螺旋投射线而不是通常意义上的直线投影线，并且螺旋投射线必须根据螺杆的尺寸和参数选取（螺旋投射线必须是与螺杆同轴、同旋向、同导程的螺旋线）。

所述的步骤（2）的具体步骤如下：根据该螺杆的尺寸和参数，选取特定的投影面（XOY平面），根据螺旋投影算法对螺杆的螺旋面进行螺旋投影数据处理，可得到螺旋面在XOY平面内的螺旋投影（abcd廓形）。根据螺旋投影理论，可以得出abcd廓形不再随着螺旋面与XOY平面之间距离的改变而发生位置和角度的变化，即abcd廓形在XOY平面内不再变化。

所述的步骤（4）的具体步骤如下：读取已经存储的刀位点数据，根据螺旋投影算法对刀具进行螺旋投影数据处理，把该刀位点的刀具实体螺旋投射到步骤（2）中选取的投影面，得到刀具在该刀位点时在投影面内的螺旋投影，即刀具投影区域；完成此步，也就把空间的刀具干涉检查转化到在二维平面内进行。

所述的步骤（5）的具体步骤如下：根据步骤（2）生成的螺杆的螺旋投影和步骤（4）生成的刀具投影区域，对螺杆的螺旋投影和刀具投影区域进行干涉判断。通过判断投影平面内螺杆的螺旋投影与刀具投影区域的位置关系，并根据得到的位置关系进行分类处理，就可以得出在该刀位点处是否发生干涉。所述的位置关系包括相交、相切和相离，若相交则说明在此刀位点处存在过切现象，记录过切刀位点信息，把该刀位点数值记录并反馈给系统；若相切，则说明不干涉，不需要记录该刀位点数值和状态；若相离则说明在此刀位点处存在欠切现象，则记录欠切刀位点信息，把该刀位点数值记录并反馈给系统。

该方法原理如下：

如图1所示，当空间一点P沿直线（投射线）向某一特定平面α（投影面）运动时，该直线与α平面的交点p也称为点P在该α平面上的投影。类似地，如果点P沿某一螺旋线向α平面运动时，也将与α平面产生一个交点p’。在本发明中，p’称为P的螺旋投影（简称投影），P点的运动轨迹称为螺旋投射线（简称投射线），如图1所示。（其中p点为P沿直线投影方向L在α平面上的投影）

假设过点P的螺旋投射线以Z轴为旋转轴线，右旋，那么该螺旋投射线可用螺旋线参数方程表示为

其中，ρ₀表示点到P投影轴的距离，表示在XOY平面内的初始角，ω、v分别表示点P的角速度和Z向运动速度，当ω/v＞0时为右旋，反之左旋。

如果给定螺旋投射线的旋向和导程s，即s＝2π|v/ω|，令ρ₀和变化（0＜ρ₀＜∞，0≤＜2π），则可以得到无数条同轴、同旋向、相互平行的螺旋线。以这些螺旋线作为投射线将空间形体向投影面上投射时可以得到该形体的螺旋投影。

假设投影面为XOY平面，空间任意点P(x,y,z)的投影为p’(x’,y’)，有

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x\cos (2\mathrm{\πz}/s)+y\sin (2\mathrm{\πz}/s)\\ y^{\′}=-x\sin (2\mathrm{\πz}/s)+y\cos (2\mathrm{\πz}/s)\end{array}\right.$

其中，当螺旋投射线右旋时，s为正值；左旋时为负值。

特别地，对于像圆柱螺杆这样有螺旋面围成的形体，如图2所示，当采用与圆柱螺杆同轴、同旋向、同导程的螺旋线作为投射线向垂直于螺杆轴线的平面投射时，其投影呈现积聚性，即其螺旋面投影为一个由若干曲线段组成的封闭线框，如图3所示。其中，ab、cd段分别是螺楞、槽底的投影，bc、ad段分别为螺楞右侧和左侧螺旋面的投影。

假设已知加工该螺杆的刀具形状和任意时刻的刀具位置（刀位点），那么就可以根据式（2）求得刀具上任意点P的螺旋投影p’。如果p’在abcd内，则表示P点与螺旋面干涉，否则，不干涉。一般情况下，我们只需要求出刀具的投影区域，通过判断该投影区域与abcd的位置关系（相交、相切或相离），即可判断出是否发生干涉，如图4所示。

具体实现步骤包括如下：

本发明提出的干涉检查方法可以结合现有的数控编程系统或者现有的数控系统实现，也可以作为一个独立的系统，在现有的计算机系统平台上实现。

下面结合干涉判断流程图如图5所示，对其具体实现方法做进一步说明：

步骤一，生成螺杆实体。获取螺杆的设计尺寸和参数并输入计算机，生成螺杆实体；

步骤二，生成螺杆的螺旋投影，包括投影平面的选取、螺旋面的螺旋投影数据处理、abcd廓形的生成。根据该螺杆的尺寸和参数，选取特定的投影面（XOY平面），根据螺旋投影算法对螺杆的螺旋面进行螺旋投影数据处理，可得到螺旋面在XOY平面内的abcd廓形。由于XOY平面固定不变，根据螺旋投影理论，可以得出abcd廓形不再随着螺旋面与XOY平面之间距离的改变而发生位置和角度的变化，即abcd廓形在XOY平面内不再变化；

步骤三，生成刀具实体。获取铣削刀具数据（型号、尺寸等）并自动录入到到计算机，生成刀具实体；

步骤四，生成刀具投影区域，包括刀位点数据的读取、该刀位点刀具的螺旋投影数据处理、刀具投影区域的生成。首先读取已经存储的刀位点数据，根据螺旋投影算法对刀具进行螺旋投影数据处理，得到该刀位点的刀具实体在XOY平面的螺旋投影区域（即刀具投影区域）；完成此步，也就把空间的刀具干涉检查转化到在二维平面进行；

步骤五，干涉判断，包括abcd廓形与刀具投影区域的位置关系判断、三种位置关系的分类处理、过切与欠切刀位点数值的记录和反馈。根据步骤二生成的abcd廓形和步骤四生成的刀具投影区域，判断XOY平面内的abcd廓形与刀具投影区域的位置关系，并根据得到的位置关系进行分类处理，便可以快速准确的判断出在该刀位点处刀具与螺杆是否发生干涉。若相交则说明在此刀位点处存在过切现象，记录过切刀位点信息，若相切，则说明不干涉，不需要记录该刀位点数值和状态；若相离则说明在此刀位点处存在欠切现象，则记录欠切刀位点信息。若发生过切和欠切则把该刀位点数值记录并反馈给系统（所有刀位点的干涉检查结束后，对欠切和过切的刀位点进行处理），若不发生干涉则不需要记录该刀位点数值和状态；

步骤六，结束判断。判断该刀位点是否最后一点，若是最后一点则既可结束判断，如若不是，则重复步骤四、五、六。

Claims (5)

1.一种针对螺杆铣削加工的刀具干涉检查方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)获取螺杆的设计尺寸和参数并输入计算机，生成螺杆实体；

步骤(2)针对螺杆选取投影面，根据螺旋投影算法对螺杆的螺旋面进行螺旋投影数据处理，即将螺杆的螺旋面投射到选定的投影面上，由此在投影面内得到螺杆的螺旋投影；

具体如下：

如果点P沿某一螺旋线向α平面运动时，将与α平面产生一个交点p’；p’称为P的螺旋投影，P点的运动轨迹称为螺旋投射线，其中p点为P沿直线投影方向L在α平面上的投影；

假设过点P的螺旋投射线以Z轴为旋转轴线，右旋，那么该螺旋投射线可用螺旋线参数方程表示为

其中，ρ₀表示点到P投影轴的距离，表示在XOY平面内的初始角，ω、v分别表示点P的角速度和Z向运动速度，当ω/v＞0时为右旋，反之左旋；

如果给定螺旋投射线的旋向和导程s，即s＝2π|v/ω|，令ρ₀和变化 则能得到无数条同轴、同旋向、相互平行的螺旋线；以这些螺旋线作为投射线将空间形体向投影面上投射时得到该形体的螺旋投影；

假设投影面为XOY平面，空间任意点P(x,y,z)的投影为p’(x’,y’)，有

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x\cos (2\mathrm{\πz}/s)+y\sin (2\mathrm{\πz}/s)\\ y^{\′}=-x\sin (2\mathrm{\πz}/s)+y\cos (2\mathrm{\πz}/s)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，当螺旋投射线右旋时，s为正值；左旋时为负值；

步骤(3)获取铣削刀具数据并自动录入到计算机，生成刀具实体；

步骤(4)读取刀位点数据，然后在步骤(2)中所述的投影面内，根据螺旋投影理论对刀具进行螺旋投影数据处理，生成刀具在该刀位点时在投影面内的螺旋投影区域；刀具螺旋投影过程中所用到的螺旋投射线与步骤(2)中的相同；

步骤(5)根据步骤(2)生成的螺杆的螺旋投影和步骤(4)生成的刀具螺旋投影，对螺杆的螺旋投影和刀具投影区域干涉判断；

干涉判断过程包括螺杆的螺旋投影与刀具投影区域位置关系的判断、三种位置关系的分类处理、过切与欠切刀位点数值的记录和反馈；通过判断投影平面内螺杆的螺旋投影与刀具投影区域的位置关系，并根据得到的位置关系分类处理，得出在该刀位点处是否发生干涉；所述的位置关系包括相交、相切和相离，若相交则说明在此刀位点处存在过切现象，记录过切刀位点信息，把该刀位点数值记录并反馈给系统；若相切，则说明不干涉，不需要记录该刀位点数值和状态；若相离则说明在此刀位点处存在欠切现象，则记录欠切刀位点信息，把该刀位点数值记录并反馈给系统；

步骤(6)结束判断，判断该刀位点是否最后一点，若是最后一点则既可结束判断，如若不是，则重复步骤(4)、(5)、(6)。

2.如权利要求1所述的一种针对螺杆铣削加工的刀具干涉检查方法，其特征在于：步骤(2)所述的投影面为垂直于螺杆轴线的任意平面。

3.如权利要求2所述的一种针对螺杆铣削加工的刀具干涉检查方法，其特征在于：所述的投影面在螺杆实体之外且投影面与螺杆端面之间的距离为螺杆导程的整数倍。

4.如权利要求1所述的一种针对螺杆铣削加工的刀具干涉检查方法，其特征在于：步骤(2)所述的螺旋投影所用到的投射线是与螺杆同轴、同旋向、同导程的螺旋线。

5.如权利要求1所述的一种针对螺杆铣削加工的刀具干涉检查方法，其特征在于：所述的步骤(2)的具体步骤如下：根据该螺杆的尺寸和参数，选取投影面，根据螺旋投影算法对螺杆的螺旋面进行螺旋投影数据处理，得到螺旋面在投影面内的螺旋投影廓形；根据螺旋投影理论，得出廓形不再随着螺旋面与投影面之间距离的改变而发生位置和角度的变化，即廓形在投影平面内不再变化。