CN103394988B - 一种多轴联动砂带磨削加工中的进退刀路规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种砂带磨削加工的进退刀轨迹规划方法，包括：确定初始进刀路径和退刀路径；确定优化的进刀路径和退刀路径，即将初始进刀路径中沿其最后一个刀触点依次到初始切削位置，然后再反向所形成的路径作为优化的进刀路径，将初始退刀路径中从其中的第一个刀触点开始依次沿后续刀触点至切削结束位置，然后再反向形成的路径作为优化的退刀路径；确定优化的进刀路径和退刀路径上各刀触点处对应的刀具浮动高度；根据上述优化的进刀路径和退刀路径及各自对应的浮动高度，即可确定优化的砂带磨削加工中的进刀轨迹和退刀轨迹。本发明的方法可以有效的降低首点和末点由于接触时间过长而导致的过切，明显提高工件型面的磨削质量。

Description

一种多轴联动砂带磨削加工中的进退刀路规划方法

技术领域

本发明属于数控磨削加工技术领域，具体是一种进退刀路的规划方法，适用于多轴联动数控砂带磨削机床对航空叶片型面进行抛磨加工。

背景技术

诸如叶片之类的复杂薄壁类零件型面为空间自由曲面，曲率变化大，在数控铣削加工后易发生变形，导致磨削加工余量分布不匀。业内通常使用磨削加工来保证加工余量的均匀性。但是，随着叶片尺寸和体积的不断增大，采用手工抛磨越来越困难，效率低下，加工质量难于保证——传统的手工抛磨已经逐渐成为制约叶片行业快速发展的瓶颈，迫切需求采用多轴联动数控抛磨来解决叶片型面精加工问题。叶片砂带磨削编程是指根据加工区域特性，融合叶片砂带磨削工艺规划，然后生成磨削加工轨迹并输出控制机床姿态的刀位文件。通常在多轴砂带磨床中我们称砂带轮远离工件的方向为Z向，与Z轴对应的旋转轴为C轴。砂带磨削工艺要求控制砂带接触轮轴线的方向随着被加工表面曲率变化，并保证C轴回转中心和被加工面的法向重合。因此叶片数控砂带磨削必须采用至少六坐标联动方式，才能达到较好的磨削效果。

在磨削加工时，为保证加工余量的等量磨削，需要利用一定的浮动压力，来保证在砂带轮随着叶片型面运动过程中砂带与工件的压力相等。同时浮动压力可以避免因机床标定误差以及砂带和砂带轮尺寸误差引起的过切和欠切。因此在实际磨削过程中砂轮由于气缸的作用被压回一段距离，这个设计距离称之为浮动高度，这个过程中实时的浮动高度称之为“压深”。现有的多轴联动数控砂带磨削加工软件中，刀具轨迹的进退刀方式大多是采用沿曲面法向的方式进退刀。这种进退刀的方法简单实用，广泛的应用于各种数控加工编程软件。但是在进刀过程中，砂带轮从接触工件开始到达到进刀压深这一段时间内，砂带轮一直停留在刀具路径的初始切削位置，同样的切削条件下，接触时间越长，切削量越大，退刀过程也同理，以至于在退刀和初始切削位置出会出现过切。发生过切会影响到表面质量和余量的均匀性，对叶片型面流线造成破坏。

发明内容

本发明提出了一种多轴数控砂带磨削进退刀路规划方法，目的在于通过规划冗余的进刀和退刀路径，将原本在轨迹首点和末点处处理的浮动高度分配给加工路径上的其它的刀位点，从而减少首点和末点的磨削时间，达到避免过切的目的。

为实现上述目的，本发明所提出的叶片砂带磨削进退刀规划方法如下：

一种砂带磨削加工的进退刀轨迹规划方法，用于对砂带磨削加工中的进刀轨迹和退刀轨迹进行优化，其特征在于，该方法包括：

确定初始进刀路径和退刀路径，即将磨削加工轨迹中从初始切削位置开始的多个连续刀触点形成的轨迹作为初始进刀路径，将磨削加工轨迹中包括切削结束位置的最后多个连续刀触点形成的轨迹作为初始退刀路径；

确定优化的进刀路径和退刀路径，即将所述初始进刀路径中沿其最后一个刀触点依次到所述初始切削位置，然后再从该初始切削位置反向依次到所述最后一个刀触点所形成的路径作为优化的进刀路径；将所述初始退刀路径中从其中的第一个刀触点开始依次沿后续刀触点至切削结束位置，然后从该切削结束位置反向依次至第一个刀触点所形成的路径作为优化的退刀路径；

确定优化的进刀路径和退刀路径上各刀触点处对应的刀具浮动高度，即优化的进刀路径中从第一个刀触点到最后一个刀触点处其对应的浮动高度依次增加，优化的退刀路径中从第一个刀触点到最后一个刀触点其对应的浮动高度依次增加；

根据上述优化的进刀路径和退刀路径及各自对应的浮动高度，即可确定优化的砂带磨削加工中的进刀轨迹和退刀轨迹。

作为本发明的进一步优选，所述的优化的进刀路径包括第一进刀路径和第二进刀路径，其中所述第一进刀路径为从所述初始进刀路径中最后一个刀触点依次沿连续各刀触点至所述初始切削位置点的连线所形成的路径，所述第二进刀路径为与所述第一进刀路径方向相反的路径，即从初始进刀路径中的初始切削位置点依次沿各刀触点至所述最后一个刀触点的连线所形成的路径。

作为本发明的进一步优选，所述的优化的退刀路径包括第一退刀路径和第二退刀路径，其中所述第一退刀路径为从初始退刀路径中的第一个刀触点依次沿后续各刀触点至所述切削结束位置点的连线所形成的路径，所述第二退刀路径为与所述第一退刀路径方向相反的路径，即从所述初始退刀路径中的切削结束位置点依次沿各连续刀触点至其中的第一个刀触点的连线所形成的路径。

作为本发明的进一步优选，所述第一进刀路径和第二进刀路径中，位置对应的两刀触点所对应的刀具浮动高度之和为恒定值，且均为磨削加工深度。

作为本发明的进一步优选，所述第一退刀路径和第二退刀路径中，位置对应的两刀触点所对应的刀具浮动高度之和为恒定值，且均为磨削加工深度。

作为本发明的进一步优选，所述优化的进刀路径中，各刀触点的浮动高度的值差为H/2N，其中，N为所述初始进刀路径上的刀触点个数，H为磨削加工中的刀具浮动压深。

作为本发明的进一步优选，所述退刀路径上各刀触点的浮动高度的值差为H/2N’，其中，N’为初始退刀路径上的刀触点个数，H为磨削加工中的刀具浮动压深。

作为本发明的进一步优选，根据所述优化的进刀路径和退刀路径及各自对应的浮动高度，即可获得磨削刀具中心点坐标即刀位点坐标，以及摆长，根据所述刀位点坐标和摆长，即可获得磨削加工轨迹。

作为本发明的进一步优选，所述任一刀位点的摆长为：Li=L+H–Hi，式中，Li为接触轮位于刀位点i时的摆长，Hi为接触轮位于刀位点i时的浮动压深。

本发明中，为了弥补在均匀分布浮动高度时导致的欠切，额外的增加一条磨削路径，使得同一刀位点的总压深相等。

本发明中，根据磨削参数里设置的浮动高度，将浮动高度均匀的分配于额外磨削路径上的点和进退刀刀位点附近的刀位点上。

本发明中，根据各个磨削点处的浮动压深，计算出各个点处的接触杆长度（摆长），将摆长输入后置处理器中，从而获得规划的轨迹。

本发明的砂带磨削的进退刀规划方法，能在一段路径上均匀分配进刀时间，避免由于在磨削路径的首点和末点上进退刀时间过长而导致的过切，可以有效的降低首点和末点由于接触时间过长而导致的过切，提高叶片表面磨削质量。

附图说明

图1为采用现有方法进行进退刀规划时进退刀刀位点和气缸姿态例图；

图2为本发明实施例中的六轴联动数控砂带磨削的浮动气缸装置示意图；

图3为采用本发明实施例方法进行进刀规划时进刀刀位点示意图。

图4为未采用本方法优化前的磨削路径示意图。

图5为采用本方法优化后的磨削路径示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实例以六轴联动数控砂带磨削的进刀过程为例进行具体介绍，但本发明的方法也适用于其他多轴磨削加工。

本实施例的砂带磨削的进退刀规划方法包括如下步骤：

（1）进退刀轨迹优化，包括进刀轨迹优化和退刀轨迹优化

首先，提取现有磨削路径从初始切削位置开始的多个连续刀触点，称为原始进刀轨迹。例如前5个刀触点，当然也可以为其他数量的刀触点，沿进刀方向分别依次编号为刀触点一至刀触点五；同时提取包括切削结束位置的最后多个连续刀触点，称为原始退刀轨迹。

例如最后5个刀触点沿进给方向分别依次编号为刀触点六至刀触点十。如图4所示。介于原始进刀轨迹和原始退刀轨迹之间的这一段加工轨迹称为原始磨削加工轨迹。

刀触点一至刀触点五被用于进刀路径的优化，进刀过程将被均匀的分布在这些点上。同理刀触点六至刀触点十被用于退刀路径的优化，退刀过程被均匀的分布在些点上。

然后，规划进刀轨迹，即从刀触点五进刀，并依次经刀触点四、刀触点三、刀触点二至刀触点一的轨迹确定为第一进刀轨迹，然后从刀触点一依次进刀到刀触点五确定为第二进刀轨迹，两进刀轨迹组成优化后的进刀轨迹。

同理，将原始退刀轨迹即从刀触点六依次经过刀触点七、刀触点八、刀触点九、刀触点十的退刀轨迹变更为从刀触点六沿加工方向依次运动到刀触点十，然后再从刀触点十反方向运动至刀触点六，形成优化后的退刀轨迹。其中，从刀触点六沿进给方向依次运动到刀触点十的部分退刀轨迹称为第一退刀轨迹，从刀触点十反方向运动至刀触点六的部分退刀轨迹称为第二退刀轨迹。

将原始进刀轨迹替换为优化后的进刀轨迹，将原始退刀轨迹替换为优化后的退刀轨迹。具体而言，如图5所示，优化后的进刀轨迹可以表示为：刀触点五→刀触点四→刀触点三→刀触点二→刀触点一→刀触点二→刀触点三→刀触点四→刀触点五→进入原始磨削轨迹。退刀轨迹可以表示成：原始磨削路径→刀触点六→刀触点七→刀触点八→刀触点九→刀触点十→刀触点九→刀触点八→刀触点七→刀触点六→退回安全高度结束加工。

（2）在优化的进刀轨迹和退刀轨迹上均匀的分配浮动高度

对于进刀轨迹，确定其中第一进刀轨迹上的刀触点五至刀触点一的五个刀触点的浮动高度依次为H/10、2H/10、3H/10、4H/10、5H/10，第二进刀轨迹上的刀触点一至刀触点五的五个刀触点的浮动高度分别为5H/10、6H/10、7H/10、8H/10、9H/10。其中，H为磨削加工中的刀具浮动压深。

可以看出在刀触点二至刀触点五上，每个刀触点上所受压深总和为H。而且每两个相邻刀触点间的压深变化都为H/10，变化量较为均匀，且变化量较小。设优化的进刀路径的第i个点浮动压深为Hi，则Hi=i*H/10(i=1,2,3…10)，而且额外磨削路径上的刀触点实际上与实际路径上的刀触点位置相同，对于同一刀触点，例如刀触点三，两次的浮动压深之合为3H/10+7H/10=H，与原始磨削路径上的浮动压深相等。在刀触点一处，总浮动压深只有5/10H，但是由于此处进给速度方向发生改变，平均速度较小，砂带轮停留时间较长，所以使用较小的浮动压深可以避免过切。

对于退刀轨迹，确定其中第一退刀轨迹上的刀触点六至刀触点十的五个切削结束位置的浮动高度分别为H/10、2H/10、3H/10、4H/10、5H/10，第二退刀轨迹上的刀触点六至刀触点十的五个刀触点的浮动高度分别为5H/10、6H/10、7H/10、8H/10、9H/10。

同理于进刀路径，退刀路径的刀触点六至刀触点九上所受总压深为H，与原始切削路径上的浮动压深相等。每两个相邻刀触点间的压深变化都为H/10，变化量较为均匀，且变化量较小。在初始切削位置刀触点十处，总浮动压深只有5/10H，但是由于此处进给速度方向发生改变，平均速度较小，砂带轮停留时间较长，所以使用较小的浮动压深可以避免过切。可以看出，额外的刀触点的位置、法向矢量和切向矢量都与对应的刀触点完全相同。这样即得到额外的磨削路径，在此路径中还要实现砂带轮从接触到初始切削位置的过程。即在每个刀触点处都会均匀的降低浮动高度。

按照上述的磨削方向，从第一个刀触点开始，依次设置浮动压深如下：额外磨削路径刀触点五的浮动压深为H/10，刀触点四的浮动压深为2H/10，刀触点三的浮动压深为3H/10，刀触点二的浮动压深为4H/10，刀触点一即初始切削位置浮动压深为5H/10，刀触点二的浮动压深为6H/10，刀触点三的浮动压深为7H/10，刀触点四的浮动压深为8H/10，刀触点五的浮动压深为9H/10，刀触点六及以后所有的刀触点的浮动压深均为H。由于额外路径的刀触点一与初始切削位置与浮动压深都相同，因此两者看作一体。

完成以上步骤后，即可得到优化的进刀路径和退刀路径。

根据优化的进刀路径和退刀路径，以及原始加工磨削路径，即可获得刀位轨迹，从而实现磨削加工。

（3）计算各个刀触点处的刀位点及摆长

刀位点坐标计算：数控砂带加工叶片程序的运动轨迹实际上是刀具中心轨迹曲线，因此必须计算叶片加工点的刀具中心坐标。砂轮（或接触轮）的刀心点坐标是接触点沿法向偏置接触轮的半径r得到。在加工坐标系中，P点为被加工点，坐标值为P(Px，Py，Pz)，O点为与P点对应的刀具的中心点，坐标值为O(Ox，Oy，Oz)，N是被加工表面在P点的单位法向量，坐标值为N(Ni，Nj，Nk)，则O点的坐标得计算方法为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Ox}=\mathrm{Px}+r\·\mathrm{Ni}\\ \mathrm{Oy}=\mathrm{Py}+r\·\mathrm{Nj}\\ \mathrm{Oz}=\mathrm{Pz}+r\·\mathrm{Nk}\end{array}\right.$

设置的摆长为L，摆长L为浮动压深为H时，接触轮的回转中心到摆动轴回转中心的距离，因此当浮动高度不为H时，需要考虑浮动压深变化量。根据以下公式可以计算出各个进退刀刀位点的摆长：

Li=L+H–Hi

式中，Li为接触轮位于刀位点i时的摆长，Hi为接触轮位于刀位点i时的浮动压深。

将所得的刀位点和摆长以及法向矢量和切向矢量输入后置处理器中进行后置处理，得到加工G代码，将所得的G代码输入机床中，即可驱动机床进行加工。

Claims (7)

1.一种砂带磨削加工的进退刀轨迹规划方法，用于对砂带磨削加工中的进刀轨迹和退刀轨迹进行优化，其特征在于，该方法包括：

确定初始进刀路径和退刀路径，即将磨削加工轨迹中从初始切削位置开始的多个连续刀触点形成的轨迹作为初始进刀路径，将磨削加工轨迹中包括切削结束位置的最后多个连续刀触点形成的轨迹作为初始退刀路径；

确定优化的进刀路径和退刀路径，即将所述初始进刀路径中沿其最后一个刀触点依次到所述初始切削位置，然后再从该初始切削位置反向依次到所述最后一个刀触点所形成的路径作为优化的进刀路径；将所述初始退刀路径中从其中的第一个刀触点开始依次沿后续刀触点至切削结束位置，然后从该切削结束位置反向依次至第一个刀触点所形成的路径作为优化的退刀路径；

确定优化的进刀路径和退刀路径上各刀触点处对应的刀具浮动高度，即优化的进刀路径中从第一个刀触点到最后一个刀触点处其对应的浮动高度依次增加，优化的退刀路径中从第一个刀触点到最后一个刀触点其对应的浮动高度依次增加；

根据上述优化的进刀路径和退刀路径及各自对应的浮动高度，即可获得磨削刀具中心点坐标即刀位点坐标，以及摆长，根据所述刀位点坐标和摆长，即可确定优化的砂带磨削加工中的进刀轨迹和退刀轨迹，获得磨削加工轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种砂带磨削加工的进退刀轨迹规划方法，其特征在于，所述的优化的进刀路径包括第一进刀路径和第二进刀路径，其中所述第一进刀路径为从所述初始进刀路径中最后一个刀触点依次沿连续各刀触点至所述初始切削位置点的连线所形成的路径，所述第二进刀路径为与所述第一进刀路径方向相反的路径，即从初始进刀路径中的初始切削位置点依次沿各刀触点至所述最后一个刀触点的连线所形成的路径。

3.根据权利要求1或2所述的一种砂带磨削加工的进退刀轨迹规划方法，其特征在于，所述的优化的退刀路径包括第一退刀路径和第二退刀路径，其中所述第一退刀路径为从初始退刀路径中的第一个刀触点依次沿后续各刀触点至所述切削结束位置点的连线所形成的路径，所述第二退刀路径为与所述第一退刀路径方向相反的路径，即从所述初始退刀路径中的切削结束位置点依次沿各连续刀触点至其中的第一个刀触点的连线所形成的路径。

4.根据权利要求2所述的一种砂带磨削加工的进退刀轨迹规划方法，其特征在于，所述第一进刀路径和第二进刀路径中，位置对应的两刀触点所对应的刀具浮动高度之和为恒定值，且均为磨削加工深度。

5.根据权利要求3所述的一种砂带磨削加工的进退刀轨迹规划方法，其特征在于，所述第一退刀路径和第二退刀路径中，位置对应的两刀触点所对应的刀具浮动高度之和为恒定值，且均为磨削加工深度。

6.根据权利要求1所述的一种砂带磨削加工的进退刀轨迹规划方法，其特征在于，所述优化的进刀路径中，各刀触点的浮动高度的值差为H/2N，其中，N为所述初始进刀路径上的刀触点个数，H为磨削加工中的刀具浮动压深。

7.根据权利要求1所述的一种砂带磨削加工的进退刀轨迹规划方法，其特征在于，所述退刀路径上各刀触点的浮动高度的值差为H/2N’，其中，N’为初始退刀路径上的刀触点个数，H为磨削加工中的刀具浮动压深。