CN105045204A - 正三角网格螺旋型加工轨迹生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明通过对正三角形型腔铣切加工刀具轨迹生成方法进行研究，优化加工刀具轨迹，提高壁板加工效率。将UG默认的传统的刀具轨迹中的粗加工轨迹部分优化成没有尖角的轨迹，同时采用类似螺旋渐开线的方式，利用直线圆弧首尾相接，形成刀具轨迹——必经点切线圆弧式刀具轨迹。本发明生成的壁板铣切加工刀具轨迹不仅解决了刀具轨迹每一切削循环内切削段存在拐角的问题，而且解决了各循环之间应采用圆滑过渡的问题，可以节省至少20％的加工时间。而且，采用此方法生成的加工刀具轨迹进行加工时，解决了刀具轨迹由于惯性造成的瞬时冲击载荷过大，以及侧壁易过切等问题，延长了刀具和机床的使用寿命。

Description

正三角网格螺旋型加工轨迹生成方法

技术领域

本发明属于机床技术的刀具轨迹加工方法领域，具体涉及到一种正三角网格螺旋型加工轨迹生成方法。

背景技术

贮箱作为运载火箭重要组成部分，承载着火箭在飞行过程中所需的全部燃料。鉴于新一代运载火箭轻质化的要求，贮箱壁板采用机械铣切成形技术，具有更高的精度和更稳定的性能。然而由于壁板材料去除率高，加工周期长，严重影响型号研制进度。

高效铣切加工技术作为有效提高生产效率的重要手段，不仅实现了切削速度的提高，更是制造技术全面进步，使生产效率的成倍提高。在高速加工过程中，合理规划铣削刀轨路径、制定高效工艺路线、优化数控编程模式，是提高壁板型腔加工效率的重要途径。

目前基于UG默认的刀具轨迹是按照槽最终的形状逐渐进行加工的，这种传统的轨迹存在很多尖角，不仅影响加工速度，而且影响产品质量和机床精度。工艺人员采用UG软件进行数控编程，典型程序轨迹如图1所示，刀具加工时由A-B-C进行，在经过B点时机床运动转向，由于惯性影响造成拐角部分(B点区域)侧壁过切，同时高速加工时瞬时冲击载荷过大，影响机床长期精度。为保证产品质量和减少对机床精度的影响，程序拐角部分(B点区域)切削进给速度降低至原速度30％，导致壁板整体加工效率降低。采用该加工模式除最后一圈必不可少的3处尖角部分外，还存在多处尖角部分，并具有以下几项缺点：1)造成产品超差。若不采取拐角减速，在程序尖角部分(B点)由于机床惯性的影响，易造成拐角部分过切，导致产品超差。2)降低机床精度。若不采取拐角减速，在程序尖角部分(B点)机床瞬间转向，瞬时冲击载荷过大，损伤机床导轨，造成定位精度降低。3)降低生产效率。若采取拐角减速，根据实际生产经验，图一中A-B-C曲线的进给速度仅为原速度的30％，所有尖角全部减速，严重影响整体加工效率。

波音公司开发了一种基于偏微分方程的平面型腔螺旋线加工轨迹生成方法，刀具轨迹如图2所示，这种改进的铣削路径可以节省14％的加工时间。但是，该技术方案除最后一圈经加工轨迹外也存在尖角部分，只要存在尖角部分，就存在造成产品超差、降低机床精度、降低生产效率等问题。而且该技术方案二的轨迹是一般的螺旋线，当用此螺旋线作为刀具加工轨迹时，程序运算时间长，影响加工时间。

目前，开发一种新的高效的壁板铣切加工刀具轨迹生成方法已经迫在眉睫。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种正三角网格螺旋型加工轨迹生成方法，合理规划铣削刀轨路径、制定高效工艺路线、优化数控编程模式,优化加工刀具轨迹，提高壁板加工效率。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：一种正三角网格螺旋型加工轨迹生成方法，根据加工区域，建立正三角网格模型；其中设正三角形型腔高为H，三顶点按照逆时针顺序分别为A、B、C，以正三角形型腔中心为坐标原点O，以方向为X轴，以方向为Y轴，建立直角坐标系；其特征在于，加工轨迹生成包括以下步骤：

步骤一：采用由外向里的规划方式，确定精加工、粗加工边界线；

步骤二：根据无残余原则，规划粗加工路径轨迹，由外向内规划所有中心顶点线上的必经点；采取类渐开线环切方式、直线与相切圆弧首尾连接的刀具加工轨迹确定方法；

步骤三：根据无残余原则，规划精加工路径轨迹。

优选的，所述步骤一中为使加工轨迹长度较短，且要避免尖角，粗加工在三角形三个顶点处铣过的轮廓必须在精加工所能加工的最大轮廓之外或者相切。

优选的,所述步骤二中粗加工路径轨迹的规划方法为：

(1)设置参数如下：精加工余量m,精加工刀具直径d；粗加工余量b，粗加工刀具直径D，粗加工刀具重叠量α，圆弧半径r；

(2)设方向单位向量分别为粗加工底面铣去宽度2C₁为D×α；

则，粗加工最外圈对应方向必经点L₁、M₁、N₁处坐标分别为：

(3)由粗加工最外圈必经点向内规划，则同一特征线OA、OB、OC上连续特征点之间距离为2C₁，则可得到其余粗加工最必经点坐标，直至必经点与原点O距离小于等于2C₁时终止，最内圈三个必经点设为L_n、M_n、N_n；

(4)除L_N、M_n外，经过每个必经点L_i、M_i、N_i做半径为r的圆，其中i<＝n；圆心分别为D_i、E_i、F_i，圆心靠近原点O一侧；以线段OL_n中点为圆心，以原点O为起点做逆时针方向圆弧以原点O为圆心做过点L_n、M_n、N_n的逆时针方向圆弧取圆弧圆弧为加工刀具轨迹中的一部分；

(5)做圆F_n与圆D_n-1的公切线，该公切线为远离原点O一侧，分别与圆F_n、圆D_n-1交于点V_n、Q_n-1，取圆弧切线V_nQ_n-1为加工刀具轨迹中的一部分；做圆D_n-1与圆E_n-1的公切线，该公切线为远离原点O一侧，分别与圆D_n-1、圆E_n-1交于点P_n-1、S_n-1，取圆弧切线P_n-1S_n-1为加工刀具轨迹中的一部分；做圆E_n-1与圆F_n-1的公切线，该公切线为远离原点O一侧，分别与圆E_n-1、圆F_n-1交于点U_n-1，取圆弧切线T_n-1U_n-1为加工刀具轨迹中的一部分；以此类推，直至得到再取线段V₁Q₁为部分加工刀具轨迹；

(6)考虑到退刀问题，刀具轨迹再取并在此基础上延切线P₁S₁方向取两个刀具直径长度的线段。

进一步的，所述L_n、M_n、N_n是正三角形同一特征线上同一纬度的三点，与原点O距离相同。

更进一步的，所述L_n、M_n、N_n中，n大于等于2。

优选的，所述步骤三中精加工路径轨迹的规划方法为：

精加工路径设计成一圈正三角形和附加刀路圆的形式，其中刀路圆半径R的选取范围为 $\frac{r+c_1+2b-(d+2m)}{3}\&le;R\&le;d.$

相对于现有技术，本发明所述的正三角网格螺旋型加工轨迹生成方法具有以下优势：生成的壁板铣切加工刀具轨迹不仅解决了刀具轨迹每一切削循环内切削段存在拐角的问题，而且解决了各循环之间应采用圆滑过渡的问题，经过实际验证，圆弧半径r越小，刀具轨迹越短，而且当r取2mm时即可全路径满速加工，大幅提高了加工效率。采用此方法生成的加工刀具轨迹进行加工时，可以节省至少20％的加工时间。而且，采用此方法生成的加工刀具轨迹进行加工时，解决了刀具轨迹由于惯性造成的瞬时冲击载荷过大，以及侧壁易过切等问题，延长了刀具和机床的使用寿命。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1是现有技术中UG默认的传统刀具轨迹示意图；

图2是现有技术中波音公司螺旋线刀具轨迹示意图；

图3是本发明必经点切线圆弧式刀具轨迹示意图；

图4是本发明必经点切线圆弧式刀具轨迹粗加工轨迹原理图；

图5是本发明必经点切线圆弧式刀具轨迹精加工轨迹原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明通过对正三角形型腔铣切加工刀具轨迹生成方法进行研究，优化加工刀具轨迹，提高壁板加工效率。将UG默认的传统的刀具轨迹中的粗加工轨迹部分优化成没有尖角的轨迹，同时采用类似螺旋渐开线的方式，利用直线圆弧首尾相接，形成刀具轨迹——必经点切线圆弧式刀具轨迹。经过实际验证，刀具轨迹高效可行。

解决问题：在尽量缩短加工轨迹长度的同时，解决除最后一圈精加工必不可少的3处尖角部分外的轨迹中其余部分的尖角问题。

从提高加工效率的角度分析，理论上越靠近外圈，路径越长，因此采用由外向里的规划方式，先确定精加工、粗加工边界线，再按照无残余要求进行路径规划。根据无残余原则，由外向内规划所有中心顶点线上的必经点。

如图3所示，为使轨迹长度较短，且要避免尖角，粗加工在三个顶点处铣过的轮廓必须在精加工所能加工的最大轮廓之外或者相切(相切为最短轨迹)，才可满足无余量要求。设正三角形型腔高为H，三顶点分别为A、B、C(此顶点顺序为逆时针顺序)，以正三角形型腔中心为坐标原点O，以方向为X轴，以方向为Y轴，建立直角坐标系；设加工参数：精加工余量m,精加工刀具直径d；粗加工余量b，粗加工刀具直径D，粗加工刀具重叠量α，圆弧半径r。

如图4所示，粗加工轨迹原理：

设方向单位向量分别为粗加工底面铣去宽度2C₁为D×α；

则，粗加工最外圈对应方向必经点L₁、M₁、N₁处坐标分别为：

由粗加工最外圈必经点，向内规划，则同一特征线(OA、OB、OC)上连续特征点之间距离为2C₁，则可得到其余粗加工最必经点坐标，直至必经点与原点O距离小于等于2C₁时终止，最内圈三个必经点设为L_n、M_n、N_n(实际加工情况中，n一般大于或等于2)。

除L_n、M_n外，经过每个必经点L_i、M_i、N_i(i≤n，称i为维度)做半径为r的圆，圆心分别为D_i、E_i、F_i(圆心靠近原点O一侧)。以线段OL_n中点为圆心，以原点O为起点做圆弧(逆时针)，以原点O为圆心做过点L_n、M_n、N_n的圆弧(逆时针)，取圆弧圆弧为加工刀具轨迹中的一部分(L_n、M_n、N_n是正三角形同一特征线上同一纬度的三点，因此与原点O距离相同)。

做圆F_n与圆D_n-1的公切线(远离原点O一侧)，分别与圆F_n、圆D_n-1交于点V_n、Q_n-1，取圆弧切线V_nQ_n-1为加工刀具轨迹中的一部分；做圆D_n-1与圆E_n-1的公切线(远离原点O一侧)，分别与圆D_n-1、圆E_n-1交于点P_n-1、S_n-1，取圆弧切线P_n-1S_n-1为加工刀具轨迹中的一部分；做圆E_n-1与圆F_n-1的公切线，(远离原点O一侧)，分别与圆E_n-1、圆F_n-1交于点T_n-1、U_n-1，取圆弧切线T_n-1U_n-1为加工刀具轨迹中的一部分；以此类推，再得到部分加工刀具轨迹……，直至得到再取线段V₁Q₁为部分加工刀具轨迹。

考虑到退刀问题，刀具轨迹再取并在此基础上延切线P₁S₁方向取两个刀具直径长度的线段。

如图5所示，精加工轨迹原理：

鉴于型腔轮廓的要求，精加工最后一圈必然为正三角形。而理论上刀具直径越大，加工速度越快，因此在满足加工质量要求的基础上，应尽量减少使用刀具直径小的刀具。因此，精加工路径可以考虑为一圈正三角形。上面提到：粗加工在三个顶点处铣过的轮廓必须在精加工所能加工的最大轮廓之外或者相切(相切为最短轨迹)，才可满足无余量要求。而实际加工时，粗加工余量b均大于等于精加工余量m与精加工所铣宽度之和。因此，精加工路径可设计成一圈正三角形和附加刀路圆的形式，用户可根据实际情况选择附加刀路圆半径R。但才能满足无余量要求。

本发明的关键点是：类渐开线环切方式，直线与相切圆弧首尾连接的刀具加工轨迹确定方法。

采用此方法生成的壁板铣切加工刀具轨迹不仅解决了UG默认刀具轨迹每一切削循环内切削段存在拐角的问题，而且解决了各循环之间应采用圆滑过渡的问题，经过实际验证，圆弧半径r越小，刀具轨迹越短，而且当r取2mm时即可全路径满速加工，大幅提高了加工效率。采用此方法生成的加工刀具轨迹进行加工时，可以节省至少20％的加工时间。而且，采用此方法生成的加工刀具轨迹进行加工时，解决了UG默认刀具轨迹由于惯性造成的瞬时冲击载荷过大，以及侧壁易过切等问题，延长了刀具和机床的使用寿命。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种正三角网格螺旋型加工轨迹生成方法，根据加工区域，建立正三角网格模型；其中设正三角形型腔高为H，三顶点按照逆时针顺序分别为A、B、C，以正三角形型腔中心为坐标原点O，以方向为X轴，以方向为Y轴，建立直角坐标系；其特征在于，加工轨迹生成包括以下步骤：

步骤一：采用由外向里的规划方式，确定精加工、粗加工边界线；

步骤二：根据无残余原则，规划粗加工路径轨迹，由外向内规划所有中心顶点线上的必经点；采取类渐开线环切方式、直线与相切圆弧首尾连接的刀具加工轨迹确定方法；

步骤三：根据无残余原则，规划精加工路径轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种正三角网格螺旋型加工轨迹生成方法，其特征在于：所述步骤一中为使加工轨迹长度较短，且要避免尖角，粗加工在三角形三个顶点处铣过的轮廓必须在精加工所能加工的最大轮廓之外或者相切。

3.根据权利要求1所述的一种正三角网格螺旋型加工轨迹生成方法，其特征在于：所述步骤二中粗加工路径轨迹的规划方法为：

(1)设置参数如下：精加工余量m,精加工刀具直径d；粗加工余量b，粗加工刀具直径D，粗加工刀具重叠量α，圆弧半径r；

(2)设方向单位向量分别为粗加工底面铣去宽度2C₁为D×α；

则，粗加工最外圈对应方向必经点L₁、M₁、N₁处坐标分别为：

${\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{OL}}}_1=\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{OA}}-\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{vA}}\&times;(r+2C_1+2b)$

${\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{OM}}}_1=\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{OB}}-\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{vB}}\&times;(r+2C_1+2b)$

${\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{ON}}}_1=\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{OC}}-\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{vC}}\&times;(r+2C_1+2b);$

(3)由粗加工最外圈必经点向内规划，则同一特征线OA、OB、OC上连续特征点之间距离为2C₁，则可得到其余粗加工最必经点坐标，直至必经点与原点O距离小于等于2C₁时终止，最内圈三个必经点设为L_n、M_n、N_n；

(4)除L_n、M_n外，经过每个必经点L_i、M_i、N_i做半径为r的圆，其中i<＝n；圆心分别为D_i、E_i、F_i，圆心靠近原点O一侧；以线段OL_n中点为圆心，以原点O为起点做逆时针方向圆弧以原点O为圆心做过点L_n、M_n、N_n的逆时针方向圆弧取圆弧圆弧为加工刀具轨迹中的一部分；

(5)做圆F_n与圆D_n-1的公切线，该公切线为远离原点O一侧，分别与圆F_n、圆D_n-1交于点V_n、Q_n-1，取圆弧切线V_nQ_n-1为加工刀具轨迹中的一部分；做圆D_n-1与圆E_n-1的公切线，该公切线为远离原点O一侧，分别与圆D_n-1、圆E_n-1交于点P_n-1、S_n-1，取圆弧切线P_n-1S_n-1为加工刀具轨迹中的一部分；做圆E_n-1与圆F_n-1的公切线，该公切线为远离原点O一侧，分别与圆E_n-1、圆F_n-1交于点T_n-1、U_n-1，取圆弧切线T_n-1U_n-1为加工刀具轨迹中的一部分；以此类推，直至得到再取线段V₁Q₁为部分加工刀具轨迹；

(6)考虑到退刀问题，刀具轨迹再取并在此基础上延切线P₁S₁方向取两个刀具直径长度的线段。

4.根据权利要求3所述的一种正三角网格螺旋型加工轨迹生成方法，其特征在于：所述L_n、M_n、N_n是正三角形同一特征线上同一纬度的三点，与原点O距离相同。

5.根据权利要求3或4所述的一种正三角网格螺旋型加工轨迹生成方法，其特征在于：更进一步的，所述L_n、M_n、N_n中，n大于等于2。

6.根据权利要求1所述的一种正三角网格螺旋型加工轨迹生成方法，其特征在于：所述步骤三中精加工路径轨迹的规划方法为：

精加工路径设计成一圈正三角形和附加刀路圆的形式，其中刀路圆半径R的选取范围为 $\frac{r+c_1+2b-(d+2m)}{3}\&le;R\&le;d.$