CN113848803B - 一种深腔曲面加工刀路生成方法 - Google Patents

一种深腔曲面加工刀路生成方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113848803B
CN113848803B CN202111200954.3A CN202111200954A CN113848803B CN 113848803 B CN113848803 B CN 113848803B CN 202111200954 A CN202111200954 A CN 202111200954A CN 113848803 B CN113848803 B CN 113848803B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cutter
tool
curved surface
path
coordinate system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111200954.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113848803A (zh
Inventor
戴时飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chengdu Yongfeng Technology Co ltd
Original Assignee
Chengdu Yongfeng Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chengdu Yongfeng Technology Co ltd filed Critical Chengdu Yongfeng Technology Co ltd
Priority to CN202111200954.3A priority Critical patent/CN113848803B/zh
Publication of CN113848803A publication Critical patent/CN113848803A/zh
Priority to US17/868,415 priority patent/US20230121919A1/en
Application granted granted Critical
Publication of CN113848803B publication Critical patent/CN113848803B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/4097—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by using design data to control NC machines, e.g. CAD/CAM
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/19—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/35—Nc in input of data, input till input file format
    • G05B2219/35097—Generation of cutter path, offset curve
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/35—Nc in input of data, input till input file format
    • G05B2219/35349—Display part, programmed locus and tool path, traject, dynamic locus
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/36—Nc in input of data, input key till input tape
    • G05B2219/36087—Edit, modify program for position errors, moving path, use conversion matrix

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Numerical Control (AREA)

Abstract

本发明公开了一种深腔曲面加工刀路生成方法，涉及深腔曲面加工刀路生成技术领域，为了解决现有技术中对深腔曲面薄壁类零件的刀路复杂，从而导致加工效率低，工件报废率高的问题，本发明包括如下步骤：提取深腔曲面边界轮廓，生成初始刀路；考虑机床限制约束：逆向推导出所对应的刀轴矢量可行域；考虑无干涉约束：考虑装夹刀柄后的刀具为一整体进行无干涉判断，确定出考虑无干涉约束下的刀轴矢量可行域；考虑无颤振约束：获取刀具工件相交区域，构建动力学模型，采用全离散法构建稳定性图，确认考虑无颤振约束下的刀轴矢量可行域；确定每一刀位点刀轴矢量可行域；输出优化刀路。本发明通过上述技术方案降低了工件报废率，并提升了加工效率。

Description

一种深腔曲面加工刀路生成方法
技术领域
本发明涉及深腔曲面加工刀路生成技术领域，尤其涉及接头类深腔曲面薄壁零件的加工刀路生成技术领域，更具体的是涉及一种深腔曲面加工刀路生成方法技术领域。
背景技术
目前，中国的制造业体系正处于从制造大国向制造强国转变的关键时期，制造业最为核心的部分就包括航天航空制造业，其发展水平常是一个国家科学技术先进与否的标志，航空航天领域设备的制造在结构上大量使用薄壁零件，因此航空航天接头类深腔曲面薄壁类零件的需求量也在不断增长。
然而，接头类深腔曲面薄壁零件的制作对加工工艺具有非常高的要求，除了要求一次加工成形、无振纹等原因外，对工艺编程人员的能力要求也非常高，因此经常出现由于工艺人员的能力不同，编制的刀路要么加工效率低下，要么加工导致零件出现大量振纹导致零件报废等情况。
对于深腔曲面薄壁类零件采用整体抠制加工时，加工余量大，材料容易变形，由于型腔较深，在加工中，刀具的悬伸比一般超过了5：1，有的甚至达到了15：1，刀具刚性很差，再加上有的工件本身的结构工艺性也很差，因此在加工中往往会出现颤刀和让刀现象，使工件壁厚不均匀，加工底面时，即使采用了很小的下刀螺旋角度，也会产生折刀现象，严重影响了工件的表面质量和加工效率，甚至造成零件的报废，在精铣时，虽然采用了多次进刀，但由于刀具直径太小，悬伸比更大，颤动更加厉害，特别是底面圆弧处，由于刀具的受力突然增加，往往出现断刀现象，导致零件报废。
综上，传统的深腔曲面薄壁类零件的加工方法采用大直径整体铣刀粗铣，然后使用较小直径的立铣刀精铣，由于深腔的结构限制，需采用多次进刀方式进行加工，从而导致对深腔曲面薄壁类零件的刀路复杂，进而导致加工效率低，工件报废率高的问题，为了解决上述技术问题，我们特别提供了一种深腔曲面加工刀路生成方法。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决现有技术中采用多次进刀方式对深腔曲面进行加工，从而导致对深腔曲面薄壁类零件的刀路复杂，进而导致加工效率低，工件报废率高的问题，本发明提供一种深腔曲面加工刀路生成方法，通过同时考虑了基于机床限制、无干涉、无颤振三者同时约束的深腔曲面加工刀路优化方法，不需要多次进刀方式对深腔曲面进行加工，解决了工艺人员因经验不足等原因造成工件报废等问题，降低了二次返修概率，减少了人力，并提升了加工效率。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种深腔曲面加工刀路生成方法，包括以下步骤：
提取深腔曲面边界轮廓，生成初始刀路：完成深腔曲面特征部分边界轮廓的提取，并基于边界轮廓等距偏置的方法生成初始刀路；
提取深腔曲面边界轮廓，生成初始刀路包括以下步骤：
选定深腔曲面，提取深腔曲面的边界轮廓；
根据边界轮廓，基于边界轮廓等距偏置生成偏置线；
确定优先加工方向和进刀方向，从刀轨左上方进刀，沿偏置线移动，判断偏置线与边界是否连通，若不连通，则打断不连通线段，得到初始刀路。
根据刀具的选择对初始刀路进行优化，对不规则刀轨段进行判断，设刀具的有效切削半径为，等距切宽为/>,若/>,则在前一刀轨尾部直接连通至下一刀轨，减少重复铣削；
得到优化后的初始刀路后，按初始刀路生成刀位文件，刀位文件中包含刀具信息、进给速度、转速、刀位点和刀轴矢量，刀位点和刀轴矢量确定刀具在三维空间的位置与姿态，刀位文件需考虑每一刀位点的刀具位姿是否位于机床限制、无干涉约束和无颤振约束共同限制的范围内。
考虑机床限制约束：基于所选机床对应各旋转轴的摆动角度范围，逆向推导出所对应的刀轴矢量可行域；
考虑机床限制约束包括以下步骤：
根据零件加工所选择相应的机床，设定机床A轴的回转行程为：-120°~+60°，B轴的回转行程为：-360°~+360°；
设工件坐标系为：，进给坐标系为：/>，刀具坐标系为：/>，刀具坐标系由进给坐标系先绕交叉进给轴C轴旋转/>,再绕进给轴F旋转/>获得，刀具坐标系和进给坐标系的变换矩阵为：
；
根据机床的具体机构、机床运动链与工件坐标系、进给坐标系、刀具坐标系间的关系，建立刀轴矢量、机床轴A和机床轴B之间的关系方程为：
；
其中，T表示矩阵的转矩，A表示绕机床A轴的旋转角，B表示绕机床B轴的旋转角，表示机床旋转角转换到刀轴矢量的转换矩阵；
进给坐标系的方程为：
其中，和/>为第k条刀具路径上两个连续的刀触点；/>为当前刀位点处的工具表面法向量；/>为当前刀位点/>处的交叉进给方向，/>为进给坐标系原点，/>表示第k条刀具路径上第i个刀位点处的进给方向，R为球头铣刀半径，ni、nj和nk均表示表面法向量的坐标值；
进给坐标在工件坐标系中定义，进给坐标和工件坐标系间的转换关系为：
其中，[]3x3表示由第k条刀具路径上第i个刀位点处的进给方向、交叉进给方向和表面法向量组成的三阶矩阵；
因此，刀轴矢量与机床轴A、轴B之间的关系方程为：
；
其中，TW-F表示工件坐标系到进给坐标系的转换矩阵，TT-F表示刀具坐标系到进给坐标系的转换矩阵，W表示工件坐标系，T表示矩阵的转矩；
结合机床A轴、B轴的回转行程和刀轴矢量与机床轴A、轴B之间的关系方程，求得在机床限制约束下刀轴矢量所对应的前倾角和侧倾角的可行域。
考虑无干涉约束：考虑加工时刀具的全局干涉和局部干涉，考虑装夹刀柄后的刀具为一整体进行无干涉判断，确定出考虑无干涉约束下的刀轴矢量可行域；
考虑无干涉约束包括如下步骤：
在路径生成之初实施干涉检测与避免，将刀具与工件曲面的潜在干涉考虑在内；
考虑将刀具装夹刀柄后进行干涉检测，在刀具坐标系的Z轴的某一截平面上，刀具沿刀轴方向的半径变化公式为：
其中，为沿刀轴方向不同高度处半径，/>为刀柄长度，/>为热缩刀柄各部分处的长度，/>和/>分别为环形铣刀的底面圆角径和刀具半径，/>为热缩刀柄各部分处对应的半径值；
将曲面按一定精度要求离散成点云，对点云中的每个点，判断点是否落在刀具曲面内部，若点云中至少有一个点在刀具内部，则认为刀具和工件曲面干涉，否则认为不干涉；
对于深腔曲面点云数据任意点，设/>为点/>在刀轴上的投影，则/>可以由下式表示：
其中，为刀轴矢量，/>为/>到刀具坐标系原点/>的距离系数；
求得后,便可得到/>投影与刀轴的/>值坐标，将/>值坐标带入刀具沿刀轴方向的半径变化公式中，若/>值不在刀具沿刀轴方向的半径变化公式范围内，则点位于刀具两端以外空间，此时点不在刀具曲面内部，不会发生干涉；若/>值在刀具沿刀轴方向的半径变化公式范围内，将/>值代入刀具沿刀轴方向的半径变化公式中计算，若/>，则点/>位于刀具曲面外部，不发生干涉，反之发生干涉；
改变刀轴矢量，判断刀轴矢量是否会发生干涉，若不发生干涉，记录不发生干涉时的刀具姿态，构建无干涉刀具姿态可行域。
考虑无颤振约束：获取刀具工件相交区域，构建动力学模型，采用全离散法构建稳定性图，确认考虑无颤振约束下的刀轴矢量可行域；
考虑无颤振约束包括如下步骤：
基于刀具工件接触区域求取出稳定性姿态图，确定稳定性加工的刀具姿态可行域；
基于NX12.0二次开发，提取加工时每一刀位点处的刀具工件接触区域，并通过等式，/>求出此刀位点处，每一切削微元的切入切出角；其中，/>表示浸入角，/>表示任意点/>的x坐标值，/>表示任意点/>的y坐标值；
对于某一刀位点处，通过NX12.0二次开发应用提取一次接触区域；
获得接触区域后，结合通用铣刀切削模型和全离散法求取姿态稳定性图获得稳定性加工的刀具姿态可行域。
确定每一刀位点刀轴矢量可行域：将考虑机床限制约束、考虑无干涉约束、考虑无颤振约束求得的刀轴矢量可行域进行求交，得到每一刀位点处的实际刀轴矢量可行域；
最短路径优化、输出优化刀路：基于Dijkstra最短路径光顺的方法从刀轴矢量可行域中确定每一刀位点对应的刀轴矢量，生成刀位文件，根据实际机床选择相应的后处理生成并输出最终优化后刀路；
最短路径优化、输出优化刀路包括如下步骤：
获得每一刀位点处基于机床限制、无干涉约束和无颤振约束的刀轴矢量可行域后，输出优化后的刀具路径需确认每一刀位点对应的确切刀轴矢量；
基于Dijkstra最短路径光顺的方法确定每一刀位点对应的刀轴矢量，输出优化后刀位文件；
根据实际机床选择相应的后处理生成并输出最终优化后刀路。
本发明的有益效果如下：
本发明中通过同时考虑了基于机床限制、无干涉、无颤振三者同时约束的深腔曲面加工刀路优化方法，不需要多次进刀方式对深腔曲面进行加工，解决了工艺人员因经验不足等原因造成工件报废等问题，降低了二次返修概率，减少了人力，并提升了加工效率。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明提取深腔曲面边界轮廓的示意图；
图3为本发明生成初始刀路的示意图；
图4为本发明构建坐标系的示意图；
图5为本发明工件坐标系、刀具坐标系和进给坐标系间的关系示意图；
图6为本发明通用铣刀几何模型的示意图；
图7为本发明深腔曲面点云离散干涉检测的示意图；
图8为本发明为刀具几何和工件几何在NC程序的驱动加工下某一刀位点处的加工中情况的示意图；
图9为本发明为提取出相交体在此时与球头刀的二维接触示意图；
图10为本发明为将离散的层与相交区域的边界求交的示意图；
图11为本发明求交后所得点集并将点集坐标导出的示意图；
图12为本发明某一刀具路径上刀位点出的可行域锥的示意图；
图13为本发明输出刀路的示意图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，一种深腔曲面加工刀路生成方法，包括以下步骤：
提取深腔曲面边界轮廓，生成初始刀路：完成深腔曲面特征部分边界轮廓的提取，并基于边界轮廓等距偏置的方法生成初始刀路；
提取深腔曲面边界轮廓，生成初始刀路包括以下步骤：
通过基于NX12.0二次开发功能，如图2所示，选定深腔曲面，通过NX12.0二次开发功能提取深腔曲面的边界轮廓，为生成初始刀路的前提；
图3中的（a）为初始偏置刀路示意图，如图3中的（a）所示，根据边界轮廓取特定边界，基于边界轮廓等距偏置生成偏置线；
确定优先加工方向和进刀方向，如图3中的（b）为初步简化刀路示意图，如图3中的（b）所示，从刀轨左上方进刀，沿偏置线移动，判断偏置线与边界是否连通，若不连通，则打断不连通线段，得到初始刀路。
根据刀具的选择对初始刀路进行优化，对图3（b）中不规则刀轨段进行判断，设刀具的有效切削半径为，等距切宽为/>,若/>，则在前一刀轨尾部直接连通至下一刀轨，减少重复铣削，优化结果如图3中的（c）所示；
得到优化后的初始刀路后，按初始刀路生成刀位文件，刀位文件中包含刀具信息、进给速度、转速、刀位点和刀轴矢量等内容，其中最为关键的是刀位点和刀轴矢量，刀位点和刀轴矢量确定了刀具在三维空间的位置与姿态，如表1所示，所得刀位文件不能直接经后处理直接加工，刀位文件需考虑每一刀位点的刀具位姿是否位于机床限制、无干涉约束和无颤振约束共同限制的范围内。
表1为刀位文件展示
考虑机床限制约束：基于所选机床对应各旋转轴的摆动角度范围，逆向推导出所对应的刀轴矢量可行域；
考虑机床限制约束包括以下步骤：
根据零件加工所选择相应的机床，本发明以接头类深腔曲面零件为例，所选用的机床为上海拓璞五轴设备（立卧转化）HMC-C100P，设定该机床A轴的回转行程为：-120°~+60°，B轴的回转行程为：-360°~+360°；
如图4-图5所示，图4中pass（k）、pass（k-1）、 pass（k+1）分别表示第k、k-1和k+1条刀具路径，设工件坐标系为：，进给坐标系为：/>，刀具坐标系为：/>，刀具坐标系由进给坐标系先绕交叉进给轴C轴旋转/>,再绕进给轴F旋转/>获得，刀具坐标系和进给坐标系的变换矩阵为：
；
根据AB型五轴机床的具体机构、机床运动链与工件坐标系、进给坐标系、刀具坐标系间的关系，建立刀轴矢量、机床轴A和机床轴B之间的关系方程为：
；
其中，T表示矩阵的转矩，A表示绕机床A轴的旋转角，B表示绕机床B轴的旋转角，表示机床旋转角转换到刀轴矢量的转换矩阵；
同理，进给坐标系的方程为：
其中，和/>为第k条刀具路径上两个连续的刀触点；/>为当前刀位点处的工具表面法向量；/>为当前刀位点/>处的交叉进给方向，/>为进给坐标系原点，/>表示第k条刀具路径上第i个刀位点处的进给方向，R为球头铣刀半径，ni、nj和nk均表示表面法向量的坐标值；
进给坐标在工件坐标系中定义，进给坐标和工件坐标系间的转换关系为：
其中，[]3x3表示由第k条刀具路径上第i个刀位点处的进给方向、交叉进给方向和表面法向量组成的三阶矩阵；
因此，刀轴矢量与机床轴A、轴B之间的关系方程为：
；
其中，TW-F表示工件坐标系到进给坐标系的转换矩阵，TT-F表示刀具坐标系到进给坐标系的转换矩阵，W表示工件坐标系，T表示矩阵的转矩；
结合机床A轴、B轴的回转行程和刀轴矢量与机床轴A、轴B之间的关系方程，求得在机床限制约束下刀轴矢量所对应的前倾角和侧倾角的可行域。
考虑无干涉约束：考虑加工时刀具的全局干涉和局部干涉，考虑装夹刀柄后的刀具为一整体进行无干涉判断，确定出考虑无干涉约束下的刀轴矢量可行域；
考虑无干涉约束包括如下步骤：
实施干涉检测与避免的最佳时机存在于五轴路径规划阶段，即在路径生成之初实施干涉检测与避免，将刀具与工件曲面的潜在干涉考虑在内，本发明选择环形刀作为加工路径规划的统一刀具模型，如图6所示；
对于接头类深腔曲面加工，由于实际加工中整体刀具会深入深腔区域，必须考虑将刀具装夹刀柄后进行干涉检测，如图6所示，在刀具坐标系的Z轴的某一截平面上，刀具沿刀轴方向的半径变化公式为：
其中，为沿刀轴方向不同高度处半径，/>为刀柄长度，/>为热缩刀柄各部分处的长度，/>和/>分别为环形铣刀的底面圆角径和刀具半径，/>为热缩刀柄各部分处对应的半径值；
对于接头类深腔曲面，将曲面按一定精度要求离散成点云，对点云中的每个点，判断点是否落在刀具曲面内部，若点云中至少有一个点在刀具内部，则认为刀具和工件曲面干涉，否则认为不干涉；
如图7所示，对于深腔曲面点云数据任意点，设/>为点/>在刀轴上的投影，则/>可以由下式表示：
其中，为刀轴矢量，/>为/>到刀具坐标系原点/>的距离系数；
求得后,便可得到/>投影与刀轴的/>值坐标，将/>值坐标带入刀具沿刀轴方向的半径变化公式中，若/>值不在刀具沿刀轴方向的半径变化公式范围内，则点位于刀具两端以外空间，此时点不在刀具曲面内部，不会发生干涉；若/>值在刀具沿刀轴方向的半径变化公式范围内，将/>值代入刀具沿刀轴方向的半径变化公式中计算，若/>，则点/>位于刀具曲面外部，不发生干涉，反之发生干涉；
改变刀轴矢量，使用上述步骤判断刀轴矢量是否会发生干涉，若不发生干涉，记录不发生干涉时的刀具姿态，构建无干涉刀具姿态可行域。
考虑无颤振约束：获取刀具工件相交区域，构建动力学模型，采用全离散法构建稳定性图，确认考虑无颤振约束下的刀轴矢量可行域；
考虑无颤振约束包括如下步骤：
无颤振约束是接头类深腔曲面加工的急需解决的一个问题，本发明将基于刀具工件接触区域求取出稳定性姿态图，确定稳定性加工的刀具姿态可行域；
如图8-图11所示，为方便计算和便于集成到NX12.0中，本发明基于NX12.0二次开发，提取加工时每一刀位点处的刀具工件接触区域，并通过等式，/>求出此刀位点处，每一切削微元的切入切出角；其中，/>表示浸入角，/>表示任意点/>的x坐标值，/>表示任意点/>的y坐标值；
对于某一刀位点处，通过NX12.0二次开发应用提取一次接触区域，即求取此刀位点处任意刀具姿态下的接触区域，可大大提升提取效率；
获得接触区域后，结合通用铣刀切削模型和全离散法求取姿态稳定性图，获得稳定性加工的刀具姿态可行域。
确定每一刀位点刀轴矢量可行域：将考虑机床限制约束、考虑无干涉约束、考虑无颤振约束求得的刀轴矢量可行域进行求交，得到每一刀位点处的实际刀轴矢量可行域；
最短路径优化、输出优化刀路：基于Dijkstra最短路径光顺的方法从刀轴矢量可行域中确定每一刀位点对应的刀轴矢量，生成刀位文件，根据实际机床选择相应的后处理生成并输出最终优化后刀路；
最短路径优化、输出优化刀路包括如下步骤：
获得每一刀位点处基于机床限制、无干涉约束和无颤振约束的刀轴矢量可行域后，输出优化后的刀具路径需确认每一刀位点对应的确切刀轴矢量；
如图12所示显示了某一条刀路上每一刀位点处的最终可行域范围，本发明基于Dijkstra最短路径光顺的方法确定每一刀位点对应的刀轴矢量，输出优化后刀位文件；
如图13所示，根据实际机床选择相应的后处理生成并输出最终优化后刀路。

Claims (5)

1.一种深腔曲面加工刀路生成方法，其特征在于：包括以下步骤：
提取深腔曲面边界轮廓，生成初始刀路：完成深腔曲面特征部分边界轮廓的提取，并基于边界轮廓等距偏置的方法生成初始刀路；
考虑机床限制约束：基于所选机床对应各旋转轴的摆动角度范围，逆向推导出所对应的刀轴矢量可行域；
考虑无干涉约束：考虑加工时刀具的全局干涉和局部干涉，考虑装夹刀柄后的刀具为一整体进行无干涉判断，确定出考虑无干涉约束下的刀轴矢量可行域；
考虑无颤振约束：获取刀具工件相交区域，构建动力学模型，采用全离散法构建稳定性图，确认考虑无颤振约束下的刀轴矢量可行域；
确定每一刀位点刀轴矢量可行域：将考虑机床限制约束、考虑无干涉约束、考虑无颤振约束求得的刀轴矢量可行域进行求交，得到每一刀位点处的实际刀轴矢量可行域；
最短路径优化、输出优化刀路：基于Dijkstra最短路径光顺的方法从刀轴矢量可行域中确定每一刀位点对应的刀轴矢量，生成刀位文件，根据实际机床选择相应的后处理生成并输出最终优化后刀路；
考虑机床限制约束包括以下步骤：
根据零件加工所选择相应的机床，设定机床A轴的回转行程为：-120°~+60°，B轴的回转行程为：-360°~+360°；
设工件坐标系为：，进给坐标系为：/>，刀具坐标系为：，刀具坐标系由进给坐标系先绕交叉进给轴C轴旋转/>,再绕进给轴F旋转/>获得，刀具坐标系和进给坐标系的变换矩阵为：
；
根据机床的具体机构、机床运动链与工件坐标系、进给坐标系、刀具坐标系间的关系，建立刀轴矢量、机床轴A和机床轴B之间的关系方程为：
；
其中，T表示矩阵的转矩，A表示绕机床A轴的旋转角，B表示绕机床B轴的旋转角，表示机床旋转角转换到刀轴矢量的转换矩阵；
进给坐标系的方程为：
其中，和/>为第k条刀具路径上两个连续的刀触点；/>为当前刀位点处的工具表面法向量；/>为当前刀位点/>处的交叉进给方向，/>为进给坐标系原点，/>表示第k条刀具路径上第i个刀位点处的进给方向，R为球头铣刀半径，ni、nj和nk均表示表面法向量的坐标值；
进给坐标在工件坐标系中定义，进给坐标和工件坐标系间的转换关系为：
其中，[]3x3表示由第k条刀具路径上第i个刀位点处的进给方向、交叉进给方向和表面法向量组成的三阶矩阵；
因此，刀轴矢量与机床轴A、轴B之间的关系方程为：
；
其中，TW-F表示工件坐标系到进给坐标系的转换矩阵，TT-F表示刀具坐标系到进给坐标系的转换矩阵，W表示工件坐标系，T表示矩阵的转矩；
结合机床A轴、B轴的回转行程和刀轴矢量与机床轴A、轴B之间的关系方程，求得在机床限制约束下刀轴矢量所对应的前倾角和侧倾角的可行域；
考虑无干涉约束包括如下步骤：
在路径生成之初实施干涉检测与避免，将刀具与工件曲面的潜在干涉考虑在内；
考虑将刀具装夹刀柄后进行干涉检测，在刀具坐标系的Z轴的某一截平面上，刀具沿刀轴方向的半径变化公式为：
其中，为沿刀轴方向不同高度处半径，/>为刀柄长度，/>为热缩刀柄各部分处的长度，/>和/>分别为环形铣刀的底面圆角径和刀具半径，/>为热缩刀柄各部分处对应的半径值；
将曲面按一定精度要求离散成点云，对点云中的每个点，判断点是否落在刀具曲面内部，若点云中至少有一个点在刀具内部，则认为刀具和工件曲面干涉，否则认为不干涉；
对于深腔曲面点云数据任意点，设/>为点/>在刀轴上的投影，则/>可以由下式表示：
其中，为刀轴矢量，/>为/>到刀具坐标系原点/>的距离系数；
求得后,便可得到/>投影与刀轴的/>值坐标，将/>值坐标带入刀具沿刀轴方向的半径变化公式中，若/>值不在刀具沿刀轴方向的半径变化公式范围内，则点位于刀具两端以外空间，此时点不在刀具曲面内部，不会发生干涉；若/>值在刀具沿刀轴方向的半径变化公式范围内，将/>值代入刀具沿刀轴方向的半径变化公式中计算，若/>，则点/>位于刀具曲面外部，不发生干涉，反之发生干涉；
改变刀轴矢量，判断刀轴矢量是否会发生干涉，若不发生干涉，记录不发生干涉时的刀具姿态，构建无干涉刀具姿态可行域。
2.根据权利要求1所述的一种深腔曲面加工刀路生成方法，其特征在于：提取深腔曲面边界轮廓，生成初始刀路包括以下步骤：
选定深腔曲面，提取深腔曲面的边界轮廓；
根据边界轮廓，基于边界轮廓等距偏置生成偏置线；
确定优先加工方向和进刀方向，从刀轨左上方进刀，沿偏置线移动，判断偏置线与边界是否连通，若不连通，则打断不连通线段，得到初始刀路。
3.根据权利要求2所述的一种深腔曲面加工刀路生成方法，其特征在于：根据刀具的选择对初始刀路进行优化，对不规则刀轨段进行判断，设刀具的有效切削半径为，等距切宽为/>,若/>,则在前一刀轨尾部直接连通至下一刀轨，减少重复铣削；
得到优化后的初始刀路后，按初始刀路生成刀位文件，刀位文件中包含刀具信息、进给速度、转速、刀位点和刀轴矢量，刀位点和刀轴矢量确定刀具在三维空间的位置与姿态，刀位文件需考虑每一刀位点的刀具位姿是否位于机床限制、无干涉约束和无颤振约束共同限制的范围内。
4.根据权利要求1所述的一种深腔曲面加工刀路生成方法，其特征在于：考虑无颤振约束包括如下步骤：
基于刀具工件接触区域求取出稳定性姿态图，确定稳定性加工的刀具姿态可行域；
基于NX12.0二次开发，提取加工时每一刀位点处的刀具工件接触区域，并通过等式，/>求出此刀位点处，每一切削微元的切入切出角；其中，表示浸入角，/>表示任意点/>的x坐标值，/>表示任意点/>的y坐标值；
对于某一刀位点处，通过NX12.0二次开发应用提取一次接触区域；
获得接触区域后，结合通用铣刀切削模型和全离散法求取姿态稳定性图，获得稳定性加工的刀具姿态可行域。
5.根据权利要求1所述的一种深腔曲面加工刀路生成方法，其特征在于：最短路径优化、输出优化刀路包括如下步骤：
获得每一刀位点处基于机床限制、无干涉约束和无颤振约束的刀轴矢量可行域后，输出优化后的刀具路径需确认每一刀位点对应的确切刀轴矢量；
基于Dijkstra最短路径光顺的方法确定每一刀位点对应的刀轴矢量，输出优化后刀位文件；
根据实际机床选择相应的后处理生成并输出最终优化后刀路。
CN202111200954.3A 2021-10-14 2021-10-14 一种深腔曲面加工刀路生成方法 Active CN113848803B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111200954.3A CN113848803B (zh) 2021-10-14 2021-10-14 一种深腔曲面加工刀路生成方法
US17/868,415 US20230121919A1 (en) 2021-10-14 2022-07-19 Method for generating machining cutter path for curved deep cavity surface

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111200954.3A CN113848803B (zh) 2021-10-14 2021-10-14 一种深腔曲面加工刀路生成方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113848803A CN113848803A (zh) 2021-12-28
CN113848803B true CN113848803B (zh) 2023-09-12

Family

ID=78978508

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111200954.3A Active CN113848803B (zh) 2021-10-14 2021-10-14 一种深腔曲面加工刀路生成方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20230121919A1 (zh)
CN (1) CN113848803B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116820021B (zh) * 2023-05-26 2024-05-28 大连理工大学 一种流道开粗盘铣刀刀具参数及刀具路径同步规划方法
CN116339242B (zh) * 2023-05-30 2023-08-18 中科航迈数控软件(深圳)有限公司 一种自由曲面刀具路径生成方法及相关设备
CN117193168B (zh) * 2023-10-10 2024-03-12 西安科技大学 一种复杂壳体的摆线铣削轨迹生成方法
CN117270455B (zh) * 2023-11-20 2024-03-15 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种基于数字滤波的槽腔铣削刀轨优化方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102615551A (zh) * 2011-01-31 2012-08-01 德克尔马霍普夫龙滕有限公司 一种设有碰撞监测装置的机床
CN105527927A (zh) * 2016-01-29 2016-04-27 大连理工大学 一种基于机床各旋转轴角加速度分治优化的五轴加工刀轴矢量插值方法
CN110658783A (zh) * 2019-09-24 2020-01-07 华中科技大学 一种五轴加工刀轴可行域的求解方法及系统
CN115916476A (zh) * 2020-03-13 2023-04-04 奥拉诺Ds拆除服务公司 利用由多关节系统承载的工具对物体自动执行操作的方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3213158B1 (en) * 2014-10-28 2020-07-08 Sikorsky Aircraft Corporation Space partitioning for motion planning
US11003807B2 (en) * 2014-11-25 2021-05-11 Autodesk, Inc. Techniques for generating materials to satisfy design criteria
US11571814B2 (en) * 2018-09-13 2023-02-07 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Determining how to assemble a meal

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102615551A (zh) * 2011-01-31 2012-08-01 德克尔马霍普夫龙滕有限公司 一种设有碰撞监测装置的机床
CN105527927A (zh) * 2016-01-29 2016-04-27 大连理工大学 一种基于机床各旋转轴角加速度分治优化的五轴加工刀轴矢量插值方法
CN110658783A (zh) * 2019-09-24 2020-01-07 华中科技大学 一种五轴加工刀轴可行域的求解方法及系统
CN115916476A (zh) * 2020-03-13 2023-04-04 奥拉诺Ds拆除服务公司 利用由多关节系统承载的工具对物体自动执行操作的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
五轴加工刀轴方向可行域的计算及其在刀轴优化上的应用;付晓彤;中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113848803A (zh) 2021-12-28
US20230121919A1 (en) 2023-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113848803B (zh) 一种深腔曲面加工刀路生成方法
CN104102171B (zh) 一种球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法
CN102866672B (zh) 飞机结构件数控加工中间状态在线检测方法
CN103645674B (zh) 一种整体叶轮叶片的粗-半精-精铣混合路径生成方法
CN105242637A (zh) 一种航空薄壁叶片补偿加工方法
CN104460516B (zh) 一种基于后置处理五轴刀具半径补偿方法
WO2023272836A1 (zh) 一种基于加工知识的数控工艺设计及优化方法
CN102059583B (zh) 大型难切削零件的精加工方法
CN106873522A (zh) 一种非轴对称扫掠曲面的数控车削刀具轨迹规划方法
CN102608952A (zh) 对采用球头刀具的五轴联动机床平滑加工路径的方法
Denkena et al. Optimization of complex cutting tools using a multi-dexel based material removal simulation
CN102591260B (zh) 五轴铣削加工过程中刀具与工件瞬态接触域判断方法
CN109597354A (zh) 一种三角网格模型的多约束数控加工轨迹生成方法
CN113377066B (zh) 一种针对nurbs曲面五轴加工刀具路径快速干涉检测方法
CN113204852A (zh) 一种球头铣刀铣削加工表面形貌预测方法及系统
CN113664626B (zh) 一种基于离散点云原理螺旋槽磨削工艺系统建立方法
CN106896782A (zh) 基于bc型五轴数控机床球头刀加工刀轴矢量光顺方法
CN114453836B (zh) 薄壁不规则球形封头上系列管座孔j形坡口的加工方法
CN113848807B (zh) 一种复杂曲面数控加工表面切削区域划分方法
CN113835397B (zh) 基于b样条曲线和路径积分的线性数控加工路径平滑方法
Xiangyu et al. A novel method for solving shortest tool length based on compressing 3D check surfaces relative to tool postures
Watanabe et al. Proposal of a machining features recognition method for 5-axis index milling on multi-tasking machine tools
CN112327754A (zh) 一种汽车模具基于经验知识的一键式智能nc编程方法
Inoue et al. Rapid 5-axis control tool path Generation by Means of Interference-free Space Concept
Voronov et al. Identification of the cutting forces coefficients via milling process simulation

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Dai Shifei

Inventor before: Jun Jie Zhi

Inventor before: Yang Qingping

Inventor before: Cao Zhenzhen

Inventor before: Zhang Wei

Inventor before: Dai Shifei

CB03 Change of inventor or designer information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant