復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工刀矢的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工刀矢的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法屬于復(fù)雜曲面五軸數(shù)控機(jī)床精密高效加工領(lǐng)域，特別涉及復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工過(guò)程中刀軸矢量的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法。刀矢的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法在確定復(fù)雜曲面參數(shù)化方程的基礎(chǔ)上，建立刀軸矢量與加工軌跡曲線參數(shù)的函數(shù)關(guān)系；然后，建立五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算方法，獲得旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸角速度、角加速度計(jì)算結(jié)果；最后，對(duì)刀軸矢量進(jìn)行光順，保證機(jī)床旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)平滑，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀軸矢量的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制。本發(fā)明提供了一種復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法，應(yīng)用范圍廣，有效提高復(fù)雜曲面加工質(zhì)量、更好地發(fā)揮機(jī)床性能。
【專利說(shuō)明】復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工刀矢的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)雜曲面五軸數(shù)控機(jī)床精密高效加工領(lǐng)域，特別涉及復(fù)雜曲面五軸數(shù) 控加工過(guò)程中刀軸矢量的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)雜曲面零件在航空航天、能源動(dòng)力等領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用，普遍采用五軸數(shù)控 加工設(shè)備進(jìn)行加工。復(fù)雜曲面數(shù)控加工過(guò)程中，刀具與被加工曲面具有良好的切觸狀態(tài)是 保證零件加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，理想情況下，刀軸矢量方向應(yīng)與曲面加工點(diǎn)處法線方 向一致。五軸數(shù)控加工機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的出現(xiàn)使刀具相對(duì)工件可以實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，刀軸 相對(duì)工件表面連續(xù)擺動(dòng)，通過(guò)調(diào)整局部坐標(biāo)系中的后跟角和側(cè)偏角，從幾何上滿足刀具與 被加工曲面之間具有良好的切觸狀態(tài)。隨著曲面面形愈發(fā)復(fù)雜，尤其對(duì)于具有局部曲率突 變特征的復(fù)雜曲面，在刀軸相對(duì)于零件表面擺動(dòng)過(guò)程中，存在較大的刀軸矢量變化，從而引 起大的機(jī)床擺頭或轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)角變化。鑒于機(jī)床動(dòng)態(tài)特性在可達(dá)空間中存在較強(qiáng)的非線性和 各向異性，當(dāng)機(jī)床旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)速度過(guò)高或速度變化過(guò)大時(shí)，機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)，發(fā)生啃切， 直接影響曲面加工質(zhì)量。此外，刀軸矢量的急劇變化甚至超出機(jī)床旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)極限， 從而不得不停止加工，迫使降低零件加工速度，極大的限制了機(jī)床性能的發(fā)揮。上述現(xiàn)象成 為影響復(fù)雜曲面加工的重要因素之一。復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工中，刀軸矢量規(guī)劃不僅要滿 足刀具和被加工曲面之間具有良好的切觸狀態(tài)，同時(shí)要滿足機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，對(duì)刀軸矢量 規(guī)劃提出了更高的要求。
[0003]文獻(xiàn)“機(jī)床沿曲線高速加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性分析”，陳金成等，機(jī)械工程 學(xué)報(bào)，2002，38 (I)，31-34，在文獻(xiàn)中詳細(xì)分析了刀具沿曲線加工時(shí)，刀具路徑幾何特性與 機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性以及動(dòng)力學(xué)特性之間的關(guān)系，計(jì)算了在各軸加速度和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)力約 束下，機(jī)床沿曲線加工時(shí)的最大安全進(jìn)給速度，但上述研究針對(duì)的是三軸數(shù)控機(jī)床，其直線 進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法不適于五軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。文獻(xiàn)“自由曲面五軸加工刀 軸矢量的運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化方法”，羅明等，機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45 (9)，158-163，在文獻(xiàn)中針對(duì)五 軸加工中刀軸矢量變化過(guò)大導(dǎo)致加工誤差較大和破壞零件表面加工質(zhì)量的問(wèn)題，提出采用 運(yùn)動(dòng)學(xué)方法優(yōu)化刀軸矢量，并由此確定機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)角速度可達(dá)區(qū)域作為刀軸矢量?jī)?yōu)化的約束 條件，然而對(duì)機(jī)床旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸角速度的計(jì)算粗略，且未涉及角加速度對(duì)刀軸矢量規(guī)劃的約 束作用，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜曲面五軸加工刀軸矢量的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制。
[0004]綜上，復(fù)雜曲面自身幾何特征對(duì)刀軸矢量規(guī)劃提出了更高要求。根據(jù)復(fù)雜曲面幾 何特征，研究五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算方法，以及刀軸矢量變化與機(jī)床運(yùn)動(dòng) 學(xué)特性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工中刀軸矢量的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法，進(jìn)行 刀軸矢量光順，對(duì)提高復(fù)雜曲面零件加工質(zhì)量及效率和充分發(fā)揮五軸數(shù)控加工機(jī)床效能至 關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)缺陷，基于微分幾何學(xué)、機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)， 建立五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算方法，確定刀軸矢量變化與機(jī)床旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)學(xué)特性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以此為基礎(chǔ)，對(duì)刀軸矢量進(jìn)行合理光順，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工中刀軸矢量的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制，減小復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工中刀軸矢量劇烈變化引起的機(jī)床振動(dòng)，避免超出機(jī)床旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)極限，提高曲面加工質(zhì)量并最大限度發(fā)揮機(jī)床性能。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工刀矢的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法，該方法首先在確定復(fù)雜曲面參數(shù)化方程的基礎(chǔ)上，建立刀軸矢量與加工軌跡曲線參數(shù)的函數(shù)關(guān)系；其次，建立五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算方法，獲得旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸角速度、角加速度計(jì)算結(jié)果；最后，對(duì)刀軸矢量進(jìn)行光順，保證機(jī)床旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)平滑，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀軸矢量的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制。整體流程圖參見附圖1，具體步驟如下:
[0007]I)確定復(fù)雜曲面參數(shù)化方程，建立刀軸矢量與加工軌跡曲線參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。
[0008]復(fù)雜曲面采用立銑方式加工，初始刀軸矢量方向與待加工曲面加工點(diǎn)處法線方向一致，在以刀心點(diǎn)為原點(diǎn)、坐標(biāo)軸方向與工件坐標(biāo)系三坐標(biāo)軸平行的局部坐標(biāo)系下，單位刀軸矢量用V= (i，j，k)表示。設(shè)待加工曲面的參數(shù)方程為S = S(u，V)，u和V分別為曲面雙向參數(shù)，由U = U(I)、V = V(I)確定曲面上的一條曲線r( € ) = r(u( ^ )，u( ^ )),即刀具軌跡曲線，I為刀具軌跡曲線參數(shù)，參見附圖2。曲線r(€)上參數(shù)I對(duì)應(yīng)點(diǎn)處單位法矢Nr為:
【權(quán)利要求】
1.一種復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工刀軸矢量的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法，其特征是，在確定復(fù)雜曲面參數(shù)化方程的基礎(chǔ)上，建立刀軸矢量與加工軌跡曲線參數(shù)的函數(shù)關(guān)系；然后，建立五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算方法，獲得旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸角速度、角加速度計(jì)算結(jié)果；最后， 對(duì)刀軸矢量進(jìn)行光順，保證機(jī)床旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)平滑，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀軸矢量的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制；方法具體步驟如下:第一步:確定復(fù)雜曲面參數(shù)化方程，建立刀軸矢量與加工軌跡曲線參數(shù)的函數(shù)關(guān)系； 設(shè)待加工曲面的參數(shù)方程為S = S(u, V), u和V分別為曲面雙向參數(shù)，由u = u( € )、 v = v(l)確定曲面上的一條曲線r(€) =r(UK)，U(U)，即刀具軌跡曲線，I為刀具軌跡曲線參數(shù)；曲線:T (€ )上參數(shù)I對(duì)應(yīng)點(diǎn)處曲面單位法矢為隊(duì)、曲線單位切向量為I；,隊(duì)和I；的叉乘向量為單位刀軸矢量用V= (i，j，k)表示；將向量隊(duì)先繞I；旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度
【文檔編號(hào)】G05B19/416GK103558808SQ201310451610
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月28日
【發(fā)明者】賈振元, 秦紀(jì)云, 馬建偉, 王福吉, 曲云松 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)