CN104678891B

CN104678891B - 一种用于评估数控加工三轴刀具轨迹质量的工艺方法

Info

Publication number: CN104678891B
Application number: CN201410836578.0A
Authority: CN
Inventors: 李振瀚; 胡铮铭; 惠恩明; 江海清; 汪敏敏; 何姗姗
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2034-12-26
Also published as: CN104678891A

Abstract

本发明公开了一种用于评估数控加工三轴刀具轨迹质量的工艺方法，其特征在于，包括：(a)获取由n个离散点依序共同组成的三轴刀具轨迹，记录各个离散点在加工坐标系中的坐标值，将每个离散点视为从坐标原点指向其所处位置的向量；(b)利用所获得的向量矩阵计算三轴刀具轨迹的整体平滑度，并将其作为加工零件时的表面质量评估指；(c)计算上述三轴刀具轨迹所对应的理想加工时间，并将其作为加工效率的评估指标；(d)完成对三轴刀具轨迹质量的整体评估过程。通过本发明，表明能够准确、高效和经济地评测三轴刀具轨迹加工零件的表面质量和加工效率，而且不用去实际的加工验证，因而尤其适用于三轴数控机床的实际运用场合。

Description

一种用于评估数控加工三轴刀具轨迹质量的工艺方法

技术领域

本发明属于数控加工技术领域，更具体地，涉及一种用于评估数控加工三轴刀具轨迹质量的工艺方法，其适于在无需实际加工的情况下，能够准确、高效和经济地评测三轴刀具轨迹加工零件的表面质量和加工效率。

背景技术

刀具路径优化是机械加工行业中日益成为热点的研究课题。目前，制造过程包括CAD(产品设计)、CAM(刀具路径生成)及CNC(加工成型)等环节。在一般情况下，CAM系统输出的是刀具轨迹，但由于CAM系统在目前的技术和理论条件下不能做到完美，常常会产生低质量的刀具路径。例如，为了计算在给定自由曲面的刀具路径，CAM系统不得不将曲面离散成三角片模型，这就会导致刀具路径的锯齿形状，因此在实际应用中对刀具路径的优化是十分必要的。

然而，目前对于很多优化后的刀具路径缺乏一个可靠且经济的仿真手段来评估其有效性，尤其是，难以判别优化后的刀具路径从定量的角度分析是否比原始更好、以及到底改善了多少。现有技术中为了获得相关指标往往是采用加工验证的方法，即对一个实际的加工程序进行实际加工来检验优化方法是否有效，但显而易见的是，加工验证的方法成本非常高和耗时，而且在加工过程中不可避免的误差往往也会影响到评估结果的精度。相应地，本领域中亟需寻找更为完善的解决方案，以便在克服现有技术的缺陷的同时，能够更好地执行数控加工刀具轨迹评测过程。

发明内容

针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种用于评估数控加工三轴刀具轨迹质量的工艺方法，其中通过结合数控加工自身的工艺特点选择轨迹平滑度和理想加工时间作为关键评估指标，同时对其具体工序操作和算法进行改进，实际测试表明能够准确、高效和经济地评测三轴刀具轨迹加工零件的表面质量和加工效率，而且不用去实际的加工验证，因而尤其适用于三轴数控机床的实际运用场合。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于评估数控加工三轴刀具轨迹质量的工艺方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(a)获取由n个离散点依序共同组成的三轴刀具轨迹，记录各个离散点在加工坐标系中的坐标值(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,...,n；将每个离散点视为从坐标原点指向其所处位置的向量并记作X_i，由此获得向量矩阵{X_i}；

(b)利用步骤(a)中所获得的向量矩阵{X_i}，依照以下的平滑度方程来计算三轴刀具轨迹的整体平滑度Kⁿ，并将其作为数控机床采用该刀具轨迹加工零件时的表面质量评估指标：

其中，X_i-1、X_i和X_i+1分别表示编号为i-1、i和i+1的向量；||表示取向量的模的计算；

(c)还可以利用步骤(a)中所获得的向量矩阵{X_i}，，依照以下的多个模拟方程来计算上述三轴刀具轨迹所对应的理想加工时间T，并将其作为数控机床执行该刀具轨迹所需加工时间的评估指标：

A_i＝|V_i，i+1×V_i-1，i|

(d)输出上述计算得到的整体平滑度和理想加工时间指标，并在无需实际加工的情况下，完成对三轴刀具轨迹质量的整体评估过程。

作为进一步优选地，所述三轴加工零件的形状优选为曲面形等。

总体而言，按照本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于通过有效结合数控机床和三轴刀具轨迹自身的特点来设计轨迹整体平滑度和理想加工时间的评估时间，特别是基于离散轨迹点的弧度及离心加速度数据特点来构建相应的具体算法，测试表明能够在在无需实际加工的情况下，在确保评估结果精度的同时，更为高效和便于操控地执行三轴刀具轨迹加工零件的表面质量和加工效率评估过程。

附图说明

图1是按照本发明的数控加工三轴刀具轨迹质量评估工艺方法的整体流程图；

图2是用于示范性显示三轴刀具轨迹的形状和法线矢量的示意图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的数控加工三轴刀具轨迹质量评估工艺方法的整体流程图。下面将以一个从CAM系统产生的三轴刀具轨迹点为例，以便更为具体地解释本发明的工艺过程和效果。

首先，譬如通过CAM系统获得只含有G01格式的G代码作为样本，将G代码中的位置点全部提取出来，每个位置轨迹点只含有在直角坐标系下的三个坐标值。假设该三轴刀具轨迹点有n个，第i个点的坐标值记为(x_i，y_i，z_i)。将每个点看成从坐标原点指向(x_i，y_i，z_i)位置的向量，记为X_i。将所有的向量组成n×1的矩阵，记为{X_i}，i＝1，2,3…n；

接着，考虑到三轴加工中刀具轴是固定的，因此在大量实际对比测试的基础上，我们在本发明中选择基于各个离散数据点的位置来确定刀具轨迹的整体平滑度，进而评估刀具轨迹加工零件的表面质量；换而言之，也即将刀具轨迹视为曲线轨迹，并基于对各个弧长的曲率进行积分处理，以期更为准确、全面地评估给定刀具路径的平滑度指标。

具体而言，可将曲线定义为C(s)，以弧长为参数，则对弧长的微分为：

因为是以弧长为参数，所以其导数必须单位化。因此D(s)属于单位球，整个曲线在单位球中。假设从0开始，任意曲线则表示为：

对D(S)再次微分并取模，得到曲率k(s)，则为：

将k(s)放大到n倍(n为正数)：

Kⁿ≡∫kⁿds (4)

将公式(3)代入到公式(4)中，则有：

为了消除对弧长的依赖性，在本发明中还增加了(ds)^1-n对对上述公式(5)进行修正处理，相应地，基于离散轨迹点的数值算法，获得了以下的平滑度方程来计算三轴刀具轨迹的整体平滑度Kⁿ，并将其作为数控机床采用该刀具轨迹加工零件时的表面质量评估指标：

另一方面，考虑到同一个刀具轨迹在不同的机床进行加工，加工结果也会不一样，为了排除这些因素的干扰，本发明中还提出在不考虑机床的精度、动力状态和刀具寿命等因素的情况下，同样利用各个所述离散数据点的位置相关数据来设计理想加工时间来评估刀具轨迹的另一重要指标，同时该指标也会间接地反映刀具轨迹的平滑度(如不平滑的轨迹迫使机床降速等)。

具体而言，本发明中采用了离散轨迹点的离心加速度来反映理想加工时间，该指标用于反映机床实际加工时间，并可命名为非规格化形状指数(USI)，其具体推导过程如下：

已知离心加速度的公式是由于曲率半径R是曲率κ的倒数，假定最大允许的离心加速度为1，那么将最大允许速度是：

以下是理想的加工时间的微分形式：

X表示曲线的形状和N是单元化的主法线矢量。

我们现在有USI，总理想加工时间作为时间元件的积分的定义：

将理想加工时间方程进行基于离散数据点的转换，则为：

A_i＝|V_i，i+1×V_i-1，i|

其中，X_i-1、X_i和X_i+1分别表示编号为i-1、i和i+1的向量；||表示取向量的模的计算。

应当指出，上述两个评估指标可以结合使用，也可以单独使用，实际测试表明其能够准确、高效和经济地评测三轴刀具轨迹加工零件的表面质量和加工效率，而且不用去实际的加工验证，因而尤其适用于三轴数控机床的实际运用场合。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于评估数控加工三轴刀具轨迹质量的工艺方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

K^{n} = {(Σ_{i = 1}^{n} | X_{i} - X_{i - 1} |)}^{n - 1} \times Σ_{i = 1}^{n} {{[\cos^{- 1} (\frac{X_{i + 1} - X_{i}}{| X_{i + 1} - X_{i} |} \times \frac{X_{i} - X_{i - 1}}{| X_{i} - X_{i - 1} |})]}^{n} \times {[0.5 \times (| X_{i + 1} - X_{i} | + | X_{i} - X_{i - 1} |)]}^{1 - n}}

其中，X_i-1、X_i和X_i+1分别表示编号为i-1、i和i+1的向量；| |表示取向量的模的计算；

(c)利用步骤(a)中所获得的向量矩阵{X_i}，依照以下的多个模拟方程来计算上述三轴刀具轨迹所对应的理想加工时间T，并将其作为数控机床执行该刀具轨迹所需加工时间的评估指标：

T = Σ \sqrt{\frac{| [a_{i} \times v_{i - 1, i} + (1 - a_{i}) \times v_{i, i + 1}] \times (X_{i + 1} + X_{i - 1} - 2 X_{i}) |}{| a_{i} \times v_{i - 1, i} + (1 - a_{i}) \times v_{i, i + 1} |}}

α_{i} = \frac{A_{i + 1}}{A_{i - 1} + A_{i + 1}}

A_i＝|V_i，i+1×V_i-1，i|

V_{i - 1, i} = \frac{X_{i} - X_{i - 1}}{| X_{i} - X_{i - 1} |}

V_{i, i + 1} = \frac{X_{i + 1} - X_{i}}{| X_{i + 1} - X_{i} |}

2.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述零件的形状为曲面形。