CN114594730A - 一种用于直刃尖刀超声切削的数控编程方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于直刃尖刀超声切削的数控编程方法，它涉及一种非标刀具的编程方法。本发明的目的是为了解决直刃尖刀在使用过程中，由于刀具属于非回转体的非标刀具，其在现有CAM软件中并无相应刀具模型，从而造成直刃尖刀无法直接使用CAM软件进行数控编程的问题。本发明具有以下步骤：S1、利用平头铣刀对工件进行数控编程，并得到相应的APT刀位文件；S2、从刀位文件中提取直刃尖刀的实时刀面矢量；S3、进行直刃尖刀刀刃矢量向刀轴矢量的转换；S4、进行平头铣刀刀位点向直刃尖刀刀位点的转换。本发明用于蜂窝芯材料的超声切削加工，解决了直刃尖刀的数控编程应用难题，拓宽了直刃尖刀的使用范围，进而大大提升了蜂窝芯材料的加工质量和加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及数控编程技术领域，具体涉及一种用于直刃尖刀超声切削的数控编程方法。
背景技术
直刃尖刀作为一种新型刀具，其在食品分切、蜂窝结构材料(如Nomex蜂窝和铝蜂窝)的切削加工中均有使用，该刀具与传统旋转体刀具不同，刀体呈片状形式，故无法借助主轴高速旋转来去除材料，往往都是在超声作用下依靠其锋利的刃口对材料进行切削。目前，直刃尖刀超声切削已在Nomex蜂窝芯的粗加工型面和大余量去除材料方面发挥了重要作用。
直刃尖刀因其结构有别于传统旋转体刀具，从而造成了在数控编程时的种种困难。当前对于该刀具的编程，均是将其等效处理后进行数控编程，而此编程方法会使工件加工后的误差较大，主要是等效刀具与直刃尖刀因形状不同而造成编程尺寸与实际加工尺寸的误差，且直刃尖刀是靠其刀刃去除材料，刀刃与刀轴并不平行，但该编程方法也并未考虑此差异。正是因为这些误差的存在，导致直刃尖刀目前只能用于前期粗加工阶段，而无法用于材料的精加工去除，影响了整体的加工效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决直刃尖刀在使用过程中，由于刀具属于非回转体的非标刀具，其在现有CAM软件中并无相应刀具模型，从而造成直刃尖刀无法直接使用CAM软件进行数控编程的问题。
本发明的技术方案是：一种用于直刃尖刀超声切削的数控编程方法，具有如下步骤：
S1、利用平头铣刀对工件进行数控编程，并得到相应的APT刀位文件；
S2、从刀位文件中获取平头铣刀的刀位点和刀轴矢量，并以此获得待编程直刃尖刀的实时刀面矢量；
S3、基于获取的平头铣刀的刀轴矢量和直刃尖刀的实时刀面矢量进行直刃尖刀刀刃矢量向其刀轴矢量的转换；
S4、基于获取的平头铣刀的刀位点和直刃尖刀的实时刀面矢量进行平头铣刀刀位点向直刃尖刀刀位点的转换。
进一步地，所述步骤S2中，从刀位文件中提取直刃尖刀实时刀面矢量的具体计算过程如下：
平头铣刀在每一个刀位点处均有相应的刀位点o(x,y,z)和刀轴矢量t(i,j,k)，相邻两刀位点的连线构成对应的切线矢量，记为r，利用右手螺旋定则可得直刃尖刀刀面矢量w，其计算公式为：wn＝tn×rn，其中，n＝1,2,3…。
所述平头铣刀的底面半径为e；
所述直刃尖刀的刀尖半角为θ，刀具底部刃口半长为d；
所述刀尖半角θ为刀具中心面内，刀刃与刀轴的夹角；
所述刃口半长d为刀具底部刃口长度的一半；
进一步地，所述步骤S3中，进行直刃尖刀刀刃矢量向刀轴矢量转换的具体计算过程如下：
平头铣刀的刀轴矢量t即为直刃尖刀的刀刃矢量，将t绕着刀尖处的刀面矢量w旋转θ角，可得直刃尖刀的刀轴矢量T。具体地，将平头铣刀和直刃尖刀的刀轴矢量分别用齐次坐标表示为：t＝(i j k 0)T和T＝(i' j' k' 0)T，则由旋转关系可得变换矩阵为：T＝R·t。其中，R为平头铣刀刀轴矢量t绕w旋转的旋转矩阵，记w’为w的单位向量，其坐标为(a,b,c)，则旋转矩阵R可表示为：
所述步骤S4中，进行平头铣刀刀位点向直刃尖刀刀位点转换的具体计算过程如下：
进一步地，平头铣刀向直刃尖刀的刀位点转换共分为两步，即铣刀刀位点向尖刀刀刃点的转换和尖刀刀刃点向尖刀刀位点的转换。首先，直刃尖刀刀刃点E可由铣刀底面中心D点沿刀面矢量w平移半径e得到，即：E＝D+ew'，然后，在直刃尖刀刀位点O处利用右手螺旋定则可得刀具底部刃口的方向矢量G，直刃尖刀刀刃点E沿底部刃口的单位方向矢量平移d便可得到刀位点O，即：G＝T×w和O＝E+dG'。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、无需将直刃尖刀进行等效处理。当前的编程方法均是将直刃尖刀等效处理后进行数控编程，因此等效刀具半径的选择十分重要，等效半径过大，会造成工件的残留较多，等效半径过小，加工工件的内轮廓时会产生过切。本发明由于采用刀位点和刀轴矢量转换的方式，故平头铣刀的尺寸大小不会影响加工精度。
2、进行了直刃尖刀刀刃矢量向刀轴矢量的转换。由于直刃尖刀是靠其刀刃去除材料，刀刃与刀轴并不平行，但现有编程方法并未考虑此差异，致使加工误差较大。本发明在刀轴矢量转换的第二步完成了直刃尖刀刀刃矢量向刀轴矢量的转换，从而降低了误差。
基于上述理由本发明可在数控编程领域进行广泛推广。
附图说明
图1是五轴铣削过程及部分平头铣刀刀位文件展示图。
图2是刀位文件转换流程图。
图3是平头铣刀刀位文件转换为直刃尖刀刀位文件展示图。
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。
如图1-图3所示，一种用于直刃尖刀超声切削的数控编程方法，具有如下步骤：
S1、利用平头铣刀对工件进行数控编程，并得到相应的APT刀位文件；
S2、从刀位文件中获取平头铣刀的刀位点和刀轴矢量，并以此获得待编程直刃尖刀的实时刀面矢量；
S3、基于获取的平头铣刀的刀轴矢量和直刃尖刀的实时刀面矢量进行直刃尖刀刀刃矢量向其刀轴矢量的转换；
S4、基于获取的平头铣刀的刀位点和直刃尖刀的实时刀面矢量进行平头铣刀刀位点向直刃尖刀刀位点的转换。
所述步骤S2中，从刀位文件中提取直刃尖刀实时刀面矢量的具体计算过程如下：
平头铣刀在每一个刀位点处均有相应的刀位点o(x,y,z)和刀轴矢量t(i,j,k)，由于机床采用线性插补的方式进行加工，故相邻两刀位点的连线就能构成对应的切线矢量，记为r。利用右手螺旋定则可得直刃尖刀刀面矢量w，其计算公式为：wn＝tn×rn(n＝1,2,3······)。
所述平头铣刀的底面半径为e；
所述直刃尖刀的刀尖半角为θ，刀具底部刃口半长为d；
本实施例中，平头铣刀的底面半径e＝5mm，直刃尖刀的刀尖半角θ＝11.5°，刀具底部刃口半长d＝0.9mm。
所述步骤S3中，进行直刃尖刀刀刃矢量向刀轴矢量转换的具体计算过程如下：
平头铣刀的刀轴矢量t即为直刃尖刀的刀刃矢量，将t绕着刀尖处的刀面矢量w旋转θ角，可得直刃尖刀的刀轴矢量T。将刀具的刀轴矢量用齐次坐标表示为：t＝(i j k 0)T和T＝(i' j' k' 0)T，则由旋转关系可得变换矩阵为：T＝R·t。其中，R为平头铣刀刀轴矢量t绕w旋转的旋转矩阵，记w’为w的单位向量，其坐标为(a,b,c)，则旋转矩阵R可表示为：
所述步骤S4中，进行平头铣刀刀位点向直刃尖刀刀位点转换的具体计算过程如下：
平头铣刀向直刃尖刀的刀位点转换共分为两步，即铣刀刀位点向尖刀刀刃点的转换和尖刀刀刃点向尖刀刀位点的转换。首先，直刃尖刀刀刃点E可由铣刀底面中心D点沿刀面矢量w平移半径e得到，即：E＝D+ew'，然后，在直刃尖刀刀位点O处利用右手螺旋定则可得刀具底部刃口的方向矢量G，直刃尖刀刀刃点E沿底部刃口的单位方向矢量平移d便可得到刀位点O，即：G＝T×w和O＝E+dG'。
由图3可得：转换后的直刃尖刀刀位文件明显与平头铣刀刀位文件不同，而现有编程方法都是把等效圆柱铣刀的刀位点和刀轴矢量当作直刃尖刀的刀位点和刀轴矢量，并直接用于数控加工。本具体实施方式可以解决编程方式带来的误差，从而提升工件加工质量。
本发明不局限于上述描述的具体实施方式，本领域的普通技术人员应当理解：在具体应用场景下，当平头铣刀底面半径、直刃尖刀的刀尖半角或者刀具底部刃口半长改变时，均可影响最终的直刃尖刀刀位文件，但这些改变也均在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于直刃尖刀超声切削的数控编程方法，其特征在于具有如下步骤：
S1、利用平头铣刀对工件进行数控编程，并得到相应的APT刀位文件；
S2、从刀位文件中获取平头铣刀的刀位点和刀轴矢量，并以此获得待编程直刃尖刀的实时刀面矢量；
S3、基于获取的平头铣刀的刀轴矢量和直刃尖刀的实时刀面矢量进行直刃尖刀刀刃矢量向其刀轴矢量的转换；
S4、基于获取的平头铣刀的刀位点和直刃尖刀的实时刀面矢量进行平头铣刀刀位点向直刃尖刀刀位点的转换。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括如下步骤：
平头铣刀在每一个刀位点处均有相应的刀位点o(x,y,z)和刀轴矢量t(i,j,k)，相邻两刀位点的连线就能构成对应的切线矢量，记为r，利用右手螺旋定则可得直刃尖刀刀面矢量w，其计算公式为：wn＝tn×rn，其中，n＝1,2,3…。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述步骤S3具体包括如下步骤：
平头铣刀的刀轴矢量t即为直刃尖刀的刀刃矢量，将t绕着刀尖处的刀面矢量w旋转θ角，可得直刃尖刀的刀轴矢量T，将平头铣刀和直刃尖刀的刀轴矢量分别用齐次坐标表示为：t＝(i j k 0)T和T＝(i' j' k' 0)T，由旋转关系可得变换矩阵为：T＝R·t。其中，R为平头铣刀刀轴矢量t绕w旋转的旋转矩阵，记w’为w的单位向量，其坐标为(a,b,c)，则旋转矩阵R可表示为：
其中，θ为所述直刃尖刀的刀尖半角。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括如下步骤：
平头铣刀向直刃尖刀的刀位点转换共分为两步，具体包括铣刀刀位点向尖刀刀刃点的转换和尖刀刀刃点向尖刀刀位点的转换；
首先，直刃尖刀刀刃点E可由铣刀底面中心D点沿刀面矢量w平移e得到，即：E＝D+ew'，然后，在直刃尖刀刀位点O处利用右手螺旋定则可得刀具底部刃口的方向矢量G，直刃尖刀刀刃点E沿底部刃口的单位方向矢量平移d便可得到刀位点O，即：G＝T×w和O＝E+dG'，其中，e为所述平头铣刀的底面半径，d为底部刃口半长。
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