CN106424877A - 一种新型机器人铣削加工刀具轨迹生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型机器人铣削加工刀具轨迹生成方法。本发明对传统的CC路径截面线法加以改进，通过对约束面间距进行动态调整，解决了传统CC路径截面线法刀轨疏密不一致的问题，从而能够提高机器人铣削加工精度。以此作为机器人切削加工刀具轨迹生成方法，具有精度高，执行效率快，成本低，跨平台兼容性强等特点。

Description

一种新型机器人铣削加工刀具轨迹生成方法

技术领域

本发明涉及一种加工刀具轨迹生成方法，特别是一种新型机器人铣削加工刀具轨迹生成方法。

背景技术

工业机器人在经历了半个世纪的发展，已逐渐形成一种新兴技术。工业机器人具有自由度多、运动灵活、工作范围广、安装费用低等优点。所以在对于一些加工精度要求不是很高的场合，工业机器人可以代替数控机床进行切削加工。从机器人切削加工过程的复杂性来看，以往的示教方式并不能满足机器人铣削加工需求。

发明内容

针对现有CC路径截面等间距切削方法的不足，本发明以工业切削机器人为研究对象，提出了实时变间距的机器人切削加工刀具轨迹方法，使相邻切削行刀具轨迹间的最大距离均匀一致且满足精度要求。借助Open Cascade几何造型内核以及该算法实现机器人切削加工刀具轨迹规划。

本发明的技术方案的步骤如下：

(1)设置初始约束平面，约束面一般采用平面和柱面，并使约束面垂直于XOY平面。如果采用平面作为约束面，也可以使其与Z轴相垂直。该算法采用逐条确定的方式进行轨迹规划，约束面每次按距离d进行平移，并与零件表面作求交运算获得刀具接触点轨迹。

(2)结合上一条已确定的刀具接触点轨迹，计算两相邻刀具接触点轨迹间最大行距，若该值不在行距最大允许范围0.9L～L，则计算最大行距处相邻刀具接触点间最短曲线的曲率半径r，根据r重新计算行距值d。最后，根据新的d值相应的移动约束面获取新的刀具接触点轨迹。

(3)对刀具接触点轨迹(即CC路径)进行离散取点，两相邻刀具接触点的绝对距离就是走刀步长。在保证精度要求的条件下，加工步长引起的误差δ应满足以下条件：δ≤ε_max(ε_max为加工误差最大允许值)。最后，将所有刀具接触点转换为刀位点，按照一定顺序连接各刀位点并设置走刀方向以及刀具姿态，最终生成机器人加工刀具轨迹。

本发明的有益效果：本发明对传统的CC路径截面线法加以改进，通过对约束面间距进行动态调整，解决了传统CC路径截面线法刀轨疏密不一致的问题，从而能够提高机器人铣削加工精度。以此作为机器人切削加工刀具轨迹生成方法，具有精度高，执行效率快，成本低，跨平台兼容性强等特点。

附图说明

图1改进的CC截面线法算法流程图

图2 CC路径截面线法示意图

图3走刀步长示意图

图4行距计算原理图

图5约束面间距与行距的关系

图6刀具姿态示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

(1)改进的CC截面线法算法

如图1所示，该算法采用逐条确定的方式进行轨迹规划，约束面每次按距离d进行平移，并与零件表面作求交运算获得刀具接触点轨迹。然后，结合上一条已确定的刀具接触点轨迹，计算两相邻刀具接触点轨迹间最大行距，若该值不在行距最大允许范围0.9L～L，则计算最大行距处相邻刀具接触点间最短曲线的曲率半径r，根据r重新计算行距值d。最后，根据新的d值相应的移动约束面获取新的刀具接触点轨迹。为了提高灵活度，约束平面的法向量可根据实际加工曲面需要进行设定。

CC路径截面线法如图2所示，则直接由一组约束面与零件曲面求交获得刀具接触点轨迹，然后再将刀具接触点轨迹偏置生成刀具轨迹。

(2)步长和行距的计算过程

如图3所示，设刀具接触点轨迹r(s)的参数方程为r(u,v)，则端点P₁、P₂可表示为P₁＝r(u₁,v₁)和P₂＝r(u₂,v₂)，曲线中点P可描述为：

弦P₁P₂上的矢量那么曲线中点P到弦P₁P₂的距离δ可计算得：

铣刀进行曲面铣削加工时，两相邻切削行之间的距离即走刀行距L，其大小对曲面加工精度和加工效率有一定影响。行距越小会使加工时间会随之增加；行距越大则表面残余高度会随之增大，同时会增加后续加工量。在满足给定的残余高度要求下，走刀行距应尽可能的大，这既能满足加工精度的要求，又能有较高的加工效率。以球头铣刀为例，如图4其行距计算方法如下：

在加工平面时，当给定残余高度h，其行距为：

在实际加工过程中，R_a要远大于h，则公式可近似表示为：

在加工凸面时，残余高度h与行距L、铣刀半径(或有效半径)R_a以及曲面沿行距方向的近似曲率半径R_b之间的关系：

由上述公式可得，当给定残余高度h时，行距L为：

在加工凹面时，残余高度h与行距L、铣刀半径(或有效半径)R_a以及曲面沿行距方向的近似曲率半径R_b之间的关系：

当给定残余高度h时，行距L为：

在实际加工过程中往往满足h<<R_a、R_b，综合上述，若已知刀具半径R_a，并设定允许的残余高度为h，那么行距L由局部曲面的近似曲率R_b决定，其计算公式如下：

(3)约束面间距计算

在采用截面法生成加工轨迹时，通常采用等间距法，即相邻约束平面间的距离是一样的。虽然这种方法很简单，但是每相邻切削行间的残余高度分布不均匀，整体表面粗糙度差，刀具轨迹效率低。

为了弥补这个不足之处，相邻约束平面间的距离随两约束平面间的曲面局部曲率变化而变化，从而使得实际行距尽可能的大。

如图5所示，当行距L确定后，可据此计算约束平面间距d。图中，S₁、S₂为相邻两个约束平面，P₁(x₁，y₂，z₂)与P₂(x₂，y₂，z₂)为相邻刀具接触点，当给定残余高度h、铣刀半径R_a以及局部曲率半径R_b，那么两约束平面间的间距为：

d＝L·cosθ

其中：θ是约束平面的法矢与向量P₁P₂的夹角。从而形成了新的刀具约束面间距。

(4)刀具姿态的确定

对曲面铣削加工时，一般采用球头铣刀进行加工。当采用球头刀时必须避免球头铣刀刀刃端点切削，需要刀具与被加工曲面法向矢量保持一定的偏角(如图6所示)，以提高加工效率及精度。

a)采用定值

该方法使刀轴与刀具接触点处的曲面法向矢量有一定的偏角(一般采用前倾角+15°，侧倾角+15°的刀具姿态)，在整个曲面铣削加工过程中刀轴将保持相同的倾斜方向，并且该偏角为定值。采用定值的刀具姿态能有更好的曲面加工效率，但需要考虑局部过切问题。

b)采用变值

该方法使刀具姿态随着待加工曲面曲率变化而变化，同时其倾斜方向与偏角根据刀具接触点处的曲面曲率及法向矢量变化而变化。该方法能够避免局部过切问题，并且可以获得较高的加工效率。

Claims (3)

1.一种新型机器人铣削加工刀具轨迹生成方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤(1)设置初始约束平面，采用逐条确定的方式进行轨迹规划，约束面每次按距离d进行平移，并与零件表面作求交运算获得刀具接触点轨迹；

步骤(2)结合上一条已确定的刀具接触点轨迹，计算两相邻刀具接触点轨迹间最大行距，若该值不在行距最大允许范围0.9L～L，则计算最大行距处相邻刀具接触点间最短曲线的曲率半径r，根据r重新计算行距值d；最后，根据新的d值相应的移动约束面获取新的刀具接触点轨迹，其中L为走刀行距；

步骤(3)对刀具接触点轨迹即CC路径进行离散取点，两相邻刀具接触点的绝对距离就是走刀步长；在保证精度要求的条件下，加工步长引起的误差δ应满足以下条件：δ≤ε_max；ε_max为加工误差最大允许值；最后，将所有刀具接触点转换为刀位点，按照设定顺序连接各刀位点并设置走刀方向以及刀具姿态，最终生成机器人加工刀具轨迹。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：约束面采用柱面，并使约束面垂直于XOY平面。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：约束面采用平面，并使约束面垂直于XOY平面或使约束面与Z轴相垂直。