CN103760817B - 一种鼓形刀具母线形状与尺寸的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种鼓形刀具母线形状与尺寸的设计方法，它包括以下步骤：一、初始化刀具，采样刀触点；二、在每一个刀触点处，调节刀具位置姿态，对刀具进行纬线方向离散，得到一系列的纬圆，求每一个纬圆到曲面的最短距离线；三、将步骤二中纬圆到曲面的最短距离线在曲面上的垂足点拟合成一条曲线，使该曲线为绕刀轴旋转生成一个新的刀具；四、对设计曲面上每个采样刀触点重复步骤一、二、三，将得到与刀触点数目相同的母线，从而生成一系列的刀具，对这些刀具进行包络求交集将得到一个刀具最优母线，生成一个适合加工整个曲面刀具；五、将步骤四得到的刀具作为下一次优化刀具的初始刀具，重复步骤一、二、三、四，直至满足迭代要求，迭代结束。

Description

一种鼓形刀具母线形状与尺寸的设计方法

技术领域

本发明涉及一种刀具设计方法，尤其涉及到一种鼓形刀具母线形状与尺寸的设计方法，属于刀具设计领域。

背景技术

刀具的优化选择主要包含刀具几何形状的选择与刀具尺寸参数的确定。在复杂曲面加工过程中，选择合适的刀具可以减小刀具轨迹数量，有效地提高加工效率。因此，优化选择刀具是缩短加工时间，进而降低加工成本的有效手段之一。

目前，曲面精加工时，选择刀具一般有以下具有较广的应用范围三种方法：

现有技术一：根据个人经验，选择保守可行的刀具参数；

现有技术二：根据刀位点最大主曲率匹配原则，选择最大的可行刀具参数；

现有技术三：建立刀具数据库，根据曲率匹配原则判断可行的刀具参数，选择其中最大可用者。

对整体叶轮磨削加工的砂轮优化选择来说：

现有技术一刀具的保守选择使加工效率不能达到最优化；

由于整体叶轮弯掠叶片厚度小，现有技术二刀具的选择也相对保守；

由于鼓形刀具是非标准系列化刀具，现有技术三建立刀具数据库不是很适合。

针对上述存在的问题，本发明提出了一种新的鼓形刀具母线形状与尺寸的设计方法。

发明内容

1、目的：本发明目的是提供一种鼓形刀具母线形状与尺寸的设计方法，以提高曲面加工率，缩短加工时间，进而降低加工成本。

2、技术方案：本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。它包括以下步骤：

步骤一、初始化刀具，采样刀触点；

步骤二、在每一个刀触点处，调节刀具位置姿态，对刀具进行纬线方向离散，得到一系列的纬圆，求每一个纬圆到曲面的最短距离线；

步骤三、将步骤二中纬圆到曲面的最短距离线在曲面上的垂足点拟合成一条曲线，使该曲线为绕刀轴旋转生成一个新的刀具；

步骤四、对设计曲面上每个采样刀触点重复步骤一、二、三，将得到与刀触点数目相同的母线，从而生成一系列的刀具，对这些刀具进行包络求交集将得到一个刀具最优母线，可生成一个适合加工整个曲面刀具；

步骤五、将步骤四得到的刀具作为下一次优化刀具的初始刀具，重复步骤一、二、三、四，如此重复下去，直至满足迭代要求，迭代结束；

其中，在步骤一所述的“初始化刀具”是指如果刀具是在进行第一次优化，该刀具的母线根据最大主曲率匹配原则，可设计成圆弧，其半径等于曲面最小曲率半径，否则，该初始刀具为上一次优化的刀具。所述“采样刀触点”是指在加工曲面选择最具代表曲面几何性质的点作为刀触点，并在该点处进行刀具优化，不失一般性，采样点应至少覆盖整张曲面。在优化前应先检测曲面的几何性质，曲面如果为直纹面，为了减少运算量则只需优化一个刀触点，并将其作为最终优化后的刀具；

其中，在步骤二所述“纬线方向离散”是指过刀轴上的每个离散点做垂直于刀具轴线方向的平面，该平面与刀具交线为一个圆，称为纬圆。这样的圆的数目与离散点数目相同，其离散精度将直接影响刀具设计的精度，以及后续工作量的处理。离散点取得越多，刀具设计精度越高，后续工作量越少，后续工作指迭代次数，干涉检验等。所述“纬圆到曲面的最短距离线”是指根据“广域包络理论”求得最短距离线段，该线段一端在刀具的纬圆上，另一端在曲面上，为最短距离线段到曲面的垂线的垂足；

其中，在步骤三所述“垂足拟合成一条曲线”是指首先根据步骤二可以得到在曲面上的一系列的最短距离线段在曲面上离散点垂足点。然后将这些点进行拟合可以得到一条空间曲线，根据“广域包络理论”这条空间曲线近似一条特征线，所谓特征线就是刀具与曲面相切时的切点的连线。最后将这条空间曲线绕初始刀具轴线旋转就得到一个旋转几何体，这个几何体就是在当前刀触点处的最优刀具；

其中，在步骤四所述“刀具进行包络求交集”是指在对每个采样刀触点处的刀具按步骤一、二、三优化后，将得到与采样刀触点数目相同的新的优化刀具，然后对这些刀具进行包络求交运算，得到一个适合加工所有的采样刀触点处的曲面区域的刀具。为使刀具加工方便，该包络线可设计成多项式曲线，也可设计成圆弧或其他曲线。原则上在该包络线上的每一点到刀具轴线的距离应不大于上述步骤中的所有母线上所有的点到刀具轴线的距离。因为采样点刀触点最具代表整个曲面的几何性质，可以认这个刀具是该次优化的最适合加工这个曲面的最优刀具；

其中，在步骤五所述“下一次优化刀具的初始刀具”是指在得到一个优化后的刀具，这个刀具可能不是最终优化的刀具，因此应该重复多次的进行优化，重复以上步骤，最后得到一个母线收敛的刀具，这是一个迭代过程，当达到迭代精度或迭代次数时迭代终止。

3、优点和功效：

本发明提供的一种鼓形刀具母线形状与尺寸的设计方法，使满足刀轨加工行宽最大和加工精度的同时，实现了刀具尺寸的最大化。通过研究曲面局部几何性质，利用广域包络理论，本发明实现了刀具的自动选择。本发明的意义在于加大刀具的形状尺寸，增大刀具切削行宽，减少加工刀轨数量，缩短加工时间，提高加工效率，进而降低生产成本。

附图说明

图1为曲面鼓形刀加工刀具活动标架，其中的符号说明如下：

S—设计曲面

O—鼓形刀具坐标原点

T—鼓形刀刀轴矢量

v—与走刀方向平行的单位矢量

n—曲面在刀触点C_i处出的单位法线

r—垂直于v和n所在的平面的单位矢量，即r=n×v

设加工曲面的采样刀触点个数有m个，C_i表示第i个刀触点（i=1，2，…，m），坐标原点C_i和坐标轴v、n、r可构成曲面在刀触点C_i处加工局部坐标系，本发明只取了9个刀触点，基本覆盖了整个曲面，在实际加工中依曲面的具体情况而定。

图2为鼓形刀具纬圆离散示意图，设鼓形刀纬线方向离散个数为n+1，N_i（i=0，1，2，…，n）为第i个纬圆。

图3为鼓形刀具设计基本原理示意图。

图4为鼓形刀具的所有母线包络示意图，其中的符号说明如下：

l_i—为第i个刀触点优化后的母线

l—为所有母线经过线包络后得到的母线

图5为曲面加工的鼓形刀具设计方法具体步骤。

具体实施方式

见图1-5，本发明一种复杂曲面加工的鼓形刀具设计方法，本发明所涉及到的刀具都是在假定刀具长度已知下进行设计，具体实施步骤如下：

步骤一：初始化刀具：如果为刀具是第一次优化，该刀具母线可设计成圆弧，根据最大主曲率匹配原则其半径等于曲面最小曲率半径，否则，将初始刀具设为上一次优化后的刀具；采样刀触点：在曲面上选择最具代表曲面几何性质的点作为刀触点，并在该点处进行刀具优化。本发明只取了9个刀触点C₁、C₂、C₃、…、C₉（如图1所示），基本覆盖了整个曲面，在实际加工中依曲面的具体情况采样刀触点个数及所在曲面上的位置。

步骤二：根据步骤一选定的刀具和刀触点，对刀具进行位置调整，并使刀具的切削行宽最大；对鼓形刀具按照纬线方向进行离散，离散精度根据加工要求确定，可得到一系列纬圆N₀,N₁,N₂,…,N_n（如图2所示）。对在刀触点C_i（i=1,2，…，9）处的鼓形刀，求过每个纬圆到曲面的最短距离线段，该线段垂直于曲面，该线段的两个端点一端在刀具面上，另一端在设计曲面上，为设计曲面上的垂足点；

步骤三：对步骤二得到的曲面上的垂足点进行拟合，这些垂足点可以拟合成一条空间曲线形成曲面垂足线（如图1所示），将这条空间曲线绕初始刀具轴线旋转就得到一个旋转几何体，这个几何体就是在当前刀触点处的最优刀具（如图3所示）。经过这样的优化后，曲面垂足线变为刀具的特征线，该特征线是刀具与设计曲面的切线也是刀具的一条优化母线。进过这样优化后的刀具在加工过程中，刀具的工作区域加大，可以增大切削行宽，切削过程中可以尽可能最多地去除多余材料，加工行宽增大，加工时间缩短，加工效率提高；检测曲面是否为直纹面，若是则该刀具就是最终优化刀具，优化结束，否则转至步骤四；

步骤四：对每个采样刀触点处的刀具按步骤一、二、三进行优化后，将得到与采样刀触点数目相同的新的优化刀具，然后对这些刀具进行包络求交运算，得到一个适合加工所有的采样刀触点处的曲面区域的刀具。该步骤计算方法可以沿着刀具轴线对刀具进行剖分，得到刀具经线l_i（i=1,2，…，9），经线也是母线，然后对这些经线进行线包络（如图4所示）得到一条优化后的母线l，为使刀具加工方便，该包络线可设计成多项式曲线，也可设计成圆弧或其他方便加工的曲线。原则上在母线l上的每一点到刀具轴线的距离应不大于母线l_i上所有的点到刀具轴线的距离。因为采样点刀触点最具代表整个曲面的几何性质，可以认这个刀具是该次优化的最适合加工这个曲面的最优刀具；

步骤五：经过步骤上述步骤优化后得到一个刀具，这个刀具可能不是最终优化的刀具，为了是刀具尺寸尽量的大，因此应该重复多次的进行优化，重复以上步骤。这是一个迭代过程，检查是否满足迭代精度或者迭代次数达到要求，若满足则迭代结束，否则将上述步骤得到的刀具作为初始刀具按照上述步骤进行下一次刀具优化直至满足要求。

以上所述仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内，另外本发明提供的方法可以集成到任何包含鼓形刀具母线设计的软件中。

Claims (5)

1.一种鼓形刀具母线形状与尺寸的设计方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一、初始化刀具，采样刀触点；

步骤二、在每一个刀触点处，调节刀具位置姿态，对刀具进行纬线方向离散，得到一系列的纬圆，求每一个纬圆到曲面的最短距离线；

步骤三、将步骤二中纬圆到曲面的最短距离线在曲面上的垂足点拟合成一条曲线，使该曲线为绕刀轴旋转生成一个新的刀具；

步骤四、对设计曲面上每个采样刀触点重复步骤一、二、三，将得到与刀触点数目相同的母线，从而生成一系列的刀具，对这些刀具进行包络求交集将得到一个刀具最优母线，生成一个适合的加工整个曲面的刀具；

步骤五、将步骤四得到的适合加工整个曲面的刀具作为下一次优化刀具的初始刀具，重复步骤一、二、三、四，如此重复下去，直至满足迭代要求，迭代结束；

其中，步骤一所述的“初始化刀具”是指如果刀具是在进行第一次优化，该刀具的母线根据最大主曲率匹配原则，设计成圆弧，其半径等于曲面最小曲率半径，否则，该初始刀具为上一次优化的刀具；所述“采样刀触点”是指在加工曲面选择最具代表曲面几何性质的点作为刀触点，并在该点处进行刀具优化，采样点应至少覆盖整张曲面；在优化前应先检测曲面的几何性质，曲面如果为直纹面，为了减少运算量则只需优化一个刀触点，并将其作为最终优化后的刀具。

2.根据权利要求1所述的一种鼓形刀具母线形状与尺寸的设计方法，其特征在于：步骤二所述“纬线方向离散”是指过刀轴上的每个离散点做垂直于刀具轴线方向的平面，该平面与刀具交线为一个圆，称为纬圆；纬圆的数目与离散点数目相同，其离散精度将直接影响刀具设计的精度，以及后续工作量的处理；离散点取得越多，刀具设计精度越高，后续工作量即迭代次数和干涉检验越少；所述“纬圆到曲面的最短距离线”是指根据“广域包络理论”求得最短距离线段，该线段一端在刀具的纬圆上，另一端在曲面上，为最短距离线段到曲面的垂线的垂足。

3.根据权利要求1所述的一种鼓形刀具母线形状与尺寸的设计方法，其特征在于：步骤三所述“垂足拟合成一条曲线”是指首先根据步骤二得到在曲面上的一系列的最短距离线段在曲面上离散点垂足点，然后将这些点进行拟合得到一条空间曲线，根据“广域包络理论”这条空间曲线近似一条特征线，该特征线就是刀具与曲面相切时的切点的连线；最后将这条空间曲线绕初始刀具轴线旋转就得到一个旋转几何体，这个几何体就是在当前刀触点处的最优刀具。

4.根据权利要求1所述的一种鼓形刀具母线形状与尺寸的设计方法，其特征在于：步骤四所述“刀具进行包络求交集”是指在对每个采样刀触点处的刀具按步骤一、二、三优化后，将得到与采样刀触点数目相同的新的优化刀具，然后对这些刀具进行包络求交运算，得到一个适合加工所有的采样刀触点处的曲面区域的刀具；为使刀具加工方便，该包络线设计成多项式曲线或圆弧曲线；原则上在该包络线上的每一点到刀具轴线的距离应不大于上述步骤一、二、三中的所有母线上所有的点到刀具轴线的距离；因为采样刀触点最具代表整个曲面的几何性质，且认为该刀具是该次优化的最适合加工这个曲面的最优刀具。

5.根据权利要求1所述的一种鼓形刀具母线形状与尺寸的设计方法，其特征在于：步骤五所述“下一次优化刀具的初始刀具”是指在得到一个优化后的刀具，这个刀具不是最终优化的刀具，应该重复多次的进行优化，重复步骤一、二、三、四，最后得到一个母线收敛的刀具，这是一个迭代过程，当达到迭代精度或迭代次数时迭代终止。