CN111240271A - 一种基于柔性磨粒机械切割的曲面粗加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于柔性磨粒机械切割的曲面粗加工方法，针对脆性材料初始毛坯高效获得适用于精加工的形状。首先根据待加工件的三维数字模型，采用包络贴近的方法构造出待加工件的曲面拟合模型；其次，将构造后的曲面拟合模型利用逆运动学方程反向求出待加工件或柔性磨粒机械的运动轨迹；再者，根据得到的运动轨迹，建立待加工件或柔性磨粒机械的数控代码；最后，通过数控系统实现待加工件的曲面切割加工。本发明克服了当前非导电材料常用铣(磨)等点加工方法所引起的加工效率低、去除材料无法再利用的问题，特别适用于天然脆硬材料以及人工晶体材料等无法直接获得较好初始毛坯形状的材料加工，扩展了线锯加工的适用范围。

Description

一种基于柔性磨粒机械切割的曲面粗加工方法
技术领域
本发明属于数控加工领域，具体涉及一种基于柔性磨粒机械切割的曲面粗加工方法。
背景技术
近几年来，随着航空航天、国防、运载工具、动力以及机械等行业的快速发展，涌现出一大批加工难度大，性能指标要求苛刻的复杂曲面形状类零部件。金属类复杂精密曲面是通过铸造、锻造或其他方式生产出初始毛坯，再利用精密加工(铣削、磨削等)的手段实现。对于陶瓷、石材、晶体材料等典型的非金属材料而言，使用铣削、磨削加工的方式是目前获得复杂精密曲面的主要手段。这种铣削、磨削加工过程中，刀具与工件的接触区域小(属于点接触加工)，主要是通过刀具的成型运动，将工件上多余的材料变为粉末状切屑而完成的。但是对于非金属而言，其原始毛坯由于受到成型方式的限制，毛坯形状与最终形状有较大的差别，因此，现有的点接触加工方式，因加工余量大，刀具磨损严重，导致加工效率低，加工质量差。如何提高复杂曲面的加工效率一直是行业内众多人员共同努力的方向。
中国发明专利“一种高效曲面直接数控加工方法”(公开号CN104714475A)提出利用圆柱形铣刀周刃对工件进行加工，在加工前利用可直接加工的曲面对不可直接加工的曲面进行逼近，即根据加工粗糙度的要求将不可直接加工的曲面分割成平面曲线后利用各点切线顺序连接后拟合，加工过程中调整刀具轴线与工件加工平面平行，刀具轴线与加工平面偏离刀具半径从而加工出直纹面，由于与工件接触区域为直线，所以其加工效率得以提高。但加工过程仍然以铣削为主，多余的材料变为粉末状，无法再次利用。
木下三男等在发明专利“电火花线切割机和电火花线切割加工方法”(公开号CN1775442)中提出调整XY平面上的上线引导装置和下线引导装置的相对位置，以使线电极沿着与确定的倾斜方向平行的方向延伸，从而加工出复杂曲面。加工过程通过高频率连续地重复放电在工件和线电级之间施加电压使其蚀掉一部分金属，当产生无数个凹坑的叠加以后形成一条切缝。该方法通过线电极放电去除材料，并结合数控实现复杂曲面的去除，使得加工效率得到极大提高。但加工工件要求为导电材料，对于非导电材料则不适用。
郭永丰等在发明专利“绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法及装置”(公开号CN102166676A)中提出将外表面固定有辅助电级的绝缘陶瓷浸入电火花液或煤油工作液中，再在工作液中放置电级丝，将所述辅助电级与电级丝分别接高频脉冲电源的正极和负极，控制二者的距离直到可实现火花放电，再按加工要求控制电级丝与绝缘陶瓷间的相对运动从而实现复杂曲面的加工。但陶瓷材料为高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀和稳定性良好的材料，因此该方法无法加工易被电解液腐蚀，温度过高会发生化学反应或破坏的材料，无法满足材料适用范围广的要求。
陈超等在发明专利“金刚石线锯切割方法及切割设备”(公开号CN103302754A)中提出利用环形金刚石线锯在主动轮的带动下高速旋转，并在升降机构的带动下向下进行切割工件，切割完毕后环形金刚石线锯向上退刀。其工作原理是将磨粒通过一定方式固结在钢丝基体上，通过磨粒的二体磨削作用将工件材料去除，但该方法只能在z方向上进行切割，加工表面为平面，无法满足复杂形状曲面的要求。
由上述可知，常用铣(磨)等点加工方法存在工件材料受限、加工效率低、去除材料无法再利用等问题，尤其对于天然脆硬材料以及人工晶体材料等无法直接获得较好初始毛坯形状，使得磨粒机械加工适用范围受到极大限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种基于柔性磨粒机械切割的曲面粗加工方法，解决了上述背景技术中的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于柔性磨粒机械切割的曲面粗加工方法，包括如下步骤：
1)根据待加工件的三维数字模型，采用包络贴近的方法构造出待加工件的曲面拟合模型；
2)将构造后的曲面拟合模型利用逆运动学方程反向求出待加工件或柔性磨粒机械的运动轨迹；
3)根据得到的运动轨迹，建立待加工件或柔性磨粒机械的数控代码；
4)通过数控系统控制待加工件或柔性磨粒机械的运动，实现待加工件的曲面切割加工。
在本发明一较佳实施例中，所述柔性磨粒机械包括固结磨粒线锯、游离磨粒线锯或绳锯。
在本发明一较佳实施例中，所述步骤1)中的曲面拟合模型包括直纹面模型，或其他由简单曲面和平面构成的模型。
在本发明一较佳实施例中，所述步骤1)包络贴近方法的具体步骤为：首先将待加工的三维数字模型进行切片处理得到每一层对应的二维外轮廓曲线；其次利用多边形包络对各二维外轮廓曲线进行处理；最后对处理后的多边形进行拟合生成曲面拟合模型
在本发明一较佳实施例中，所述步骤1)还包括对曲面模型的优化，步骤为：首先将构造后的曲面拟合模型与待加工的三维数字模型进行对比判断模型构造过程是否存在过切现象；其次将过切部分的包络多边形进行调整；最后将调整后的多边形及未过切部分的多边形进行拟合生成优化后的曲面拟合模型。
在本发明一较佳实施例中，所述步骤2)逆运动学方程求解步骤为：首先将每一层的包络多边形控制点坐标进行层与层之间的拟合得到导线方程；其次将导线方程代入拟合曲面方程得到曲面拟合模型的数学方程；最后根据曲面拟合模型的数学方程通过逆运动学得到待加工件或柔性磨粒机械的运动控制轨迹。
在本发明一较佳实施例中，所述步骤3)建立数控代码的步骤为：首先建立数控仿真系统，导入数控加工设备模型；其次将(优化后的)曲面拟合模型及待加工件或柔性磨粒机械的运动控制轨迹导入数控仿真系统；最后进行运动轨迹仿真得到待加工件或柔性磨粒机械的数控加工代码。
在本发明一较佳实施例中，所述步骤4)还包括将加工后的模型与步骤1)的曲面拟合模型对比，进行局部或整体的优化调整。
在本发明一较佳实施例中，所述步骤4)中优化调整的步骤为：首先将加工后的模型进行三维扫描得到三维数字模型；其次将加工后的三维数字模型与优化后的曲面拟合模型进行对比判断模型加工过程是否存在过切现象；最后在数控仿真系统中对过切的部分进行路径补偿得到补偿后的待加工件或柔性磨粒机械的数控代码。
在本发明一较佳实施例中，所述步骤4)通过控制柔性磨粒机械在待加工件表面进行空间扫掠运动。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1、本方案解决了对于陶瓷、石材、晶体材料等典型非金属材料其原始毛坯受到成型方式的限制，能够加工所有利用磨粒工具进行切割的材料，满足许多行业在加工材料方面的要求，特别适用于天然脆硬材料以及人工晶体材料等无法直接获得较好初始毛坯形状的材料加工；
2、本方案解决了毛坯形状与最终要求曲面有较大的差别而存在的点接触加工方式加工余量大、加工效率低、材料可回收性差等问题，有效利用磨粒线锯加工复杂曲面，线锯上各点的速度相同，加工质量高，并且加工剩余的材料能够进行其他模型的再加工，提高了材料的利用率。
附图说明
图1是待加工模型图；
图2是复杂曲面构造模型图；
图3是实施例1通过工件运动实现切割加工方式示意图；
图4是实施例2通过绳锯机械臂加工方式示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例是基于柔性磨粒线锯进行图1所示三维马模型的曲面粗加工方法，包括如下步骤：
1)根据待加工件的三维数字模型，采用包络贴近的方法构造出待加工件的直纹面模型；将待加工的三维数字模型(如图1所示待加工stl模型的ASCII值)进行切片处理得到每一层对应的二维外轮廓曲线；利用多边形包络对二维外轮廓曲线进行处理得到包络多边形及控制点坐标(x，y)；将层与层之间同一列的控制点坐标代入导线方程并转化为参数方程C＝c(u),其中
Figure BDA0002405878500000051
所述导线为同一列各层间相邻控制点的连线；最后将相邻的两条导线方程C0及C1代入直纹面方程得到直纹面模型方程S(u，v)＝(1-v)C0(u)+vC1(u)，其中u为直纹面上任一点的参数坐标，v为直纹面上任一点到导线上的点C0(u)的距离，其中S(u，v)是直纹面上的点，u为控制点坐标，v为两条相邻导线间的距离，(u，v)∈[0，1].
然后，对曲面模型的优化；
将构造后的曲面拟合模型与待加工的三维数字模型进行对比判断模型构造过程是否存在过切现象，对过切部分的包络多边形进行调整后，将调整后的多边形及未过切部分的多边形进行拟合生成优化后的曲面拟合模型。
2)将构造后的曲面拟合模型利用逆运动学方程反向求出待加工件的运动轨迹；
将优化后的曲面拟合模型的数学方程通过逆运动学得到待加工件的运动控制轨迹。
3)根据得到的运动轨迹，建立待加工件的数控代码；
首先建立数控仿真系统，导入本实施例采用的五轴数控工作台模型；其次将优化后的曲面拟合模型及待加工件的运动控制轨迹导入数控仿真系统；最后进行运动轨迹仿真得到待加工件的数控加工代码。
4)如图3，将待加工件放置于五轴数控工作台上，通过该工作台控制工件相对于线锯的运动，实现待加工件的曲面切割加工。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于：本实施例采用绳锯进行图1所示三维马模型的曲面粗加工方法，包括如下步骤：
1)根据待加工件的三维数字模型，采用包络贴近的方法构造出待加工件的直纹面模型；
2)将构造后的曲面拟合模型利用逆运动学方程反向求出绳锯锯丝的运动轨迹；请补充逆运动学方程和求解方法、绳锯锯丝的运动轨迹方程；
首先将每一层的包络多边形控制点坐标进行层与层之间的拟合得到导线方程；其次将导线方程代入拟合曲面方程得到曲面拟合模型的数学方程；最后根据曲面拟合模型的数学方程通过逆运动学得到柔性磨粒机械的运动控制轨迹。
3)根据得到的运动轨迹，建立绳锯的数控代码，并通过后处理得到机械臂加工控制代码；请补充具体数控代码和建立方法、机械臂加工控制代码和后处理方法；
首先建立数控仿真系统，导入数控加工设备模型；其次将优化后的曲面拟合模型及柔性磨粒机械的运动控制轨迹导入数控仿真系统；接着进行运动轨迹仿真得到柔性磨粒机械的数控加工代码；最后将数控加工代码进行机械臂后处理，通过选择不同品牌的机械臂后处理器得到机械臂控制代码。
4)如图4，通过机械臂控制绳锯的在待加工件表面进行空间扫掠运动，实现直纹面的加工。
将加工后的模型与步骤1)的曲面拟合模型对比，进行局部或整体的优化调整，请补充优化调整方案及具体步骤。
首先将加工后的模型进行三维扫描得到三维数字模型；其次将加工后的三维数字模型与优化后的曲面拟合模型进行对比判断模型加工过程是否存在过切现象；最后在运动仿真系统中对过切的部分进行路径补偿得到补偿后的待加工件或柔性磨粒机械的数控代码。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种基于柔性磨粒机械切割的曲面粗加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)根据待加工件的三维数字模型，采用包络贴近的方法构造出待加工件的曲面拟合模型；
2)将构造后的曲面拟合模型利用逆运动学方程反向求出待加工件或柔性磨粒机械的运动轨迹；
3)根据得到的运动轨迹，建立待加工件或柔性磨粒机械的数控代码；
4)通过数控系统控制待加工件或柔性磨粒机械的运动，实现待加工件的曲面切割加工。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性磨粒机械切割的曲面粗加工方法，其特征在于：所述柔性磨粒机械包括固结磨粒线锯、游离磨粒线锯或绳锯。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性磨粒机械切割的曲面粗加工方法，其特征在于：所述步骤1)中的曲面拟合模型包括直纹面模型。
4.根据权利要求1所述的一种基于柔性磨粒机械切割的曲面粗加工方法，其特征在于：所述步骤1)包络贴近方法的具体步骤为：首先将待加工的三维数字模型进行切片处理，得到每一层对应的二维外轮廓曲线；其次利用多边形包络对各二维外轮廓曲线进行处理；最后对处理后的多边形进行拟合生成曲面拟合模型。
5.根据权利要求1所述的一种基于柔性磨粒机械切割的曲面粗加工方法，其特征在于：所述步骤1)还包括对曲面模型的优化，步骤为：首先将构造后的曲面拟合模型与待加工的三维数字模型进行对比判断模型构造过程是否存在过切现象；其次将过切部分的包络多边形进行调整；最后将调整后的多边形及未过切部分的多边形进行拟合生成优化后的曲面拟合模型。
6.根据权利要求1所述的一种基于柔性磨粒机械切割的曲面粗加工方法，其特征在于：所述步骤2)逆运动学方程求解步骤为：将曲面拟合模型的数学方程通过逆运动学原理求解得到待加工件或柔性磨粒机械的运动控制轨迹。
7.根据权利要求1所述的一种基于柔性磨粒机械切割的曲面粗加工方法，其特征在于：所述步骤3)建立数控代码的步骤为：首先建立数控仿真系统，导入数控加工设备模型；其次将曲面拟合模型及待加工件或柔性磨粒机械的运动控制轨迹导入数控仿真系统；最后进行运动轨迹仿真得到待加工件或柔性磨粒机械的数控加工代码。
8.根据权利要求1所述的一种基于柔性磨粒机械切割的曲面粗加工方法，其特征在于：所述步骤4)还包括将加工后的模型与步骤1)的曲面拟合模型对比，进行局部或整体的优化调整。
9.根据权利要求8所述的一种基于柔性磨粒机械切割的曲面粗加工方法，其特征在于：所述步骤4)中优化调整的步骤为：首先将加工后的模型进行三维扫描得到三维数字模型；其次将加工后的三维数字模型与优化后的曲面拟合模型进行对比判断模型加工过程是否存在过切现象；最后在数控仿真系统中对过切部分进行路径补偿得到补偿后的待加工件或柔性磨粒机械的数控代码。
10.根据权利要求8所述的一种基于柔性磨粒机械切割的曲面粗加工方法，其特征在于：所述步骤4)通过控制柔性磨粒机械在待加工件表面进行空间扫掠运动。
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