五轴多行侧铣加工刀位规划方法
【专利摘要】本发明提供了一种五轴多行侧铣加工刀位规划方法，包括：根据双参数球族包络理论，推导出相邻两行刀具包络曲面的切向连续条件；利用曲面参数线分割设计曲面，得到多片目标曲面；规划第一片目标曲面的刀具轴迹面；在第一片目标曲面的刀具轴迹面顶部曲线上采样点，计算第二片目标曲面的离散刀位的刀心参考点；根据刀轴方向的线性约束，计算离散刀位的刀轴方向；插值离散刀位得到第二片目标曲面的初始刀具轴迹面；建立五轴多行侧铣加工刀具路径规划模型，得到优化后的第二片目标曲面的轴迹面。本发明解决了两张刀具包络曲面切向连续拼接和分层加工中刀具包络面与目标曲面片之间的逼近控制误差，适用于自由曲面、直纹面或类直纹面曲面侧铣加工。
【专利说明】五轴多行侧铣加工刀位规划方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及五轴数控铣床，具体地，涉及一种五轴多行侧铣加工刀位规划方法。
【背景技术】
[0002]在机械制造领域，五轴数控铣床被广泛地应用于诸如模具、叶轮、螺旋桨、涡轮叶片等复杂曲面类零件的加工。根据刀具去除材料方式的不同，五轴数控铣削工艺主要分为点韦先(point milling)和侧统(flank milling)两种。较之前者，后者使用沿刀轴方向的侧刃进行加工，是线接触加工成形方法，具有加工时间短，加工成本低等优点，能高效地获得更高质量的加工表面。因此，侧铣加工在复杂曲面类零件的加工中十分重要。
[0003]目前侧铣加工多被应用于直纹面的加工，对于非直纹面的曲面只能采用点铣加工方式，制约了侧铣加工的应用范围。轴流式叶轮的叶片通常设计为自由曲面，空间扭曲度大，不能采用一次侧铣走刀成形加工。目前常采用点铣加工，难以同时提高加工效率和表面质量。
[0004]经对现有技术的文献检索，发现美国专利号为:4596501，名称为多刀位侧铣(Multiple cutter pass flank milling)的专利介绍了一种轴流式叶轮的多行侧统加工刀位规划方法，在一次走刀成形不能满足精度要求的情况下，将叶片曲面分成多片，在每一片曲面上采用侧铣方法加工，用多个曲面片拼接出所需要的曲面，同时使得两张刀具包络曲面之间切向连续。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于利用双参数球族包络理论，提供一种五轴多行侧铣加工曲面的刀位规划方法。
[0006]根据本发明提供的五轴多行侧铣加工刀位规划方法，包括如下步骤:
[0007]步骤1:根据双参数球族包络理论，推导出相邻两行刀具包络曲面的切向连续条件，即第二行中的刀心参考点位置唯一确定，刀轴方向需要一个线性约束；
[0008]步骤2:利用曲面参数线分割设计曲面，得到多片目标曲面；
[0009]步骤3:利用五轴侧铣加工刀具路径整体优化方法规划第一片目标曲面的刀具轴迹面；
[0010]步骤4:在第一片目标曲面的刀具轴迹面顶部曲线上采样点，计算第二片目标曲面的离散刀位的刀心参考点；
[0011]步骤5:根据刀轴方向的线性约束，计算离散刀位的刀轴方向；
[0012]步骤6:插值离散刀位得到第二片目标曲面的初始刀具轴迹面；
[0013]步骤7:建立五轴多行侧铣加工刀具路径规划模型，用序列线性规划法求解该模型，得到优化后的第二片目标曲面的轴迹面，进而输出APT文件。
[0014]优选地，所述步骤I包括如下步骤:
[0015]步骤1.1:根据双参数球族包络理论，将相邻两行刀具包络面表示为，[0016]X(l) (a, t) = S(l) (a, t) +r (a) n(l) (a, t), (a, t) e [a0, aj X [t0, tj, i = I, 2 (6)
[0017]其中X(i)(a，t)表示刀具包络面，S(i)(a，t)表示刀具轴迹面，ηω (a，t)表示包络面的法向量，r(a)为球半径，a, t为曲面参数，a0, B1分别为参数a的取值范围，t0, h分别为参数t的取值范围，另外，
【权利要求】
1.一种五轴多行侧铣加工刀位规划方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1:根据双参数球族包络理论，推导出相邻两行刀具包络曲面的切向连续条件，即第二行中的刀心参考点位置唯一确定，刀轴方向需要一个线性约束； 步骤2:利用曲面参数线分割设计曲面，得到多片目标曲面； 步骤3:利用五轴侧铣加工刀具路径整体优化方法规划第一片目标曲面的刀具轴迹面； 步骤4:在第一片目标曲面的刀具轴迹面顶部曲线上采样点，计算第二片目标曲面的离散刀位的刀心参考点； 步骤5:根据刀轴方向的线性约束，计算离散刀位的刀轴方向； 步骤6:插值离散刀位得到第二片目标曲面的初始刀具轴迹面； 步骤7:建立五轴多行侧铣加工刀具路径规划模型，用序列线性规划法求解该模型，得到优化后的第二片目标曲面的轴迹面，进而输出APT文件。
2.根据权利要求1所述的五轴多行侧铣加工刀位规划方法，其特征在于，所述步骤I包括如下步骤: 步骤1.1:根据双参数球族包络理论，将相邻两行刀具包络面表示为，
X(1) (a, t) = S(l) (a, t) +r (a)n(1) (a, t)，(a, t) e [a0, aj X [t0, tj, i = I, 2 (I) 其中Χω (a, t)表示刀具包络面，S(l) (a, t)表示刀具轴迹面,ηω (a, t)表示包络面的法向量，r (a)为球半径，a, t为曲面参数，a0, B1分别为参数a的取值范围，t0, ti分别为参数t的取值范围，另外，
S,).η ⑴=-ra, St ⑴.η ⑴=O (2) 其中Sa(i)，ra分别表示刀具轴迹面对参数a求偏导和球半径对参数a求偏导，St(i)表示刀具轴迹面对参数t求偏导，ηω为曲面法向量； 步骤1.2:将相邻两行刀具包络面的切向连续条件表示为，
3.根据权利要求1所述的五轴多行侧铣加工刀位规划方法，其特征在于，所述设计曲面为已知的待加工曲面的CAD模型。
4.根据权利要求2所述的五轴多行侧铣加工刀位规划方法，其特征在于，步骤4中根据公式(4)计算第二片目标曲面的离散刀位的刀心参考点。
5.根据权利要求2所述的五轴多行侧铣加工刀位规划方法，其特征在于，所述步骤5包括如下步骤: 步骤5.1:由公式(5)确定离散刀位的刀轴方向被约束在以Χ(1)(&1，\)为顶点，n(1)(a1； t,)为中心线的圆锥曲面上； 步骤5.2:指定单位刀轴方向的X，y坐标，根据公式(5)计算z坐标,得到单位刀轴方向T ； 步骤5.3:在以X(1) (a1； tj为顶点，n(1) (a1； t,)为中心线的圆锥曲面上，选择与T夹角最小的方向作为离散刀位的刀轴方向。
6.根据权利要求2所述的五轴多行侧铣加工刀位规划方法，其特征在于，步骤7包括如下步骤: 步骤7.1:建立第二片目标曲面的刀位规划模型，
7.根据权利要求6所述的五轴多行侧铣加工刀位规划方法，其特征在于，采用序列线性规划法求解刀位规划模型时，当迭代次数等于设定值或者目标函数的改变量小于设定的阈值时，完成模型优化，获得优化的第二片目标曲面的轴迹面。
【文档编号】G05B19/19GK104007697SQ201410186035
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】朱利民, 卢耀安 申请人:上海交通大学