复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法
【技术领域】
[0001 ]本发明设及五轴数控锐床的自由曲面加工技术领域，具体地，设及一种满足机床 运动学性能和切削力约束的复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法。
【背景技术】
[0002] 在机械制造领域，五轴数控锐床被广泛应用于诸如叶轮、螺旋奖、满轮叶片等复杂 曲面类零件的加工。与球头刀相比，平底刀的加工效率有显著提升，通过调整刀具姿态能够 增加切削宽度，被广泛应用于复杂曲面的五轴宽行加工。五轴数控加工中进给速度的大小 及其变化对零件加工精度、表面质量和加工效率有着重要影响。因此，针对复杂曲面类零件 的五轴平底刀宽行加工进给率规划方法在工业应用中十分重要。
[0003] 目前常用的进给率优化算法通常是基于材料去除率或者最大切削力约束计算，没 有考虑机床的运动学性能约束。若给定的进给率过高，即超出机床各运动轴的速度、加速度 及跃度限制，会使得加工过程不稳定，降低零件表面质量和刀具寿命;若给定的进给速度过 低则大大降低加工效率。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种复杂曲面五轴平底刀宽行加工 进给率离线规划方法，同时考虑机床运动学性能和刀具上最大切削力约束进行进给速度规 划。该方法适用于自由曲面粗、精加工。
[0005] 为实现上述目的，本发明是通过W下技术方案实现的。
[0006] 本发明提供的复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法，建立了 W时间 最优进给速度规划为基础的进给速度规划模型，即W机床各运动轴的速度、加速度、跃度极 限W及曲线弓高误差为约束，同时W刀具切削过程中的最大切削力保持在设定切削力阔值 附近为约束的进给速度规划模型，最后输出具体机床数控系统的NC代码。
[0007] 本发明具体包括如下步骤：
[000引步骤SI,读入设计曲面对应的刀位文件，针对第一行刀轨中的离散刀位，经机床运 动学反解，获得机床各运动轴离散位置。
[0009] 优选地，所述设计曲面为已知的待加工曲面的CAD模型，设计曲面所对应的刀位文 件一般可由通用CAM软件(如UG)生成。
[0010] 步骤S2, W机床各运动轴的速度、加速度、跃度极限和曲线弓高误差为约束，建立 时间最优的进给速度规划模型;求解该进给速度规划模型计算出刀轨上各刀位处满足机床 性能约束的最大进给速度。
[0011] 优选地，步骤S2中，用3次B样条曲线插值机床各轴离散位置，W等参数间隔在机床 各轴的样条曲线参数区间上采样，获得机床各运动轴的速度、加速度、跃度和曲线弓高误 差D
[0012] 步骤S3,在步骤S2得到的最大进给速度的基础上，W进给速度最大为目标，刀具切 削过程中的最大切削力保持在设定切削力阔值范围内为约束，建立进给率优化模型。
[0013] 优选地，所述切削力阔值由刀齿强度、刀具整体刚度和刀具最大变形决定。
[0014] 步骤S4,根据工件、刀具几何信息W及加工刀轨信息，估算切削过程中刀轨上每个 刀位处的最大切削力。
[0015] 优选地，所述最大切削力的计算分两步完成：
[0016] 步骤S41，W离散矢量求交法（discrete vector method)确定刀轨上每个刀位处 刀具参与切削的区域W及相应的切入切出角；
[0017] 步骤S42,根据刀具参与切削的区域的位置及相应的刀具每齿进给量和主轴转速， 根据切削数据库信息确定相应的切削力系数。
[0018] 优选地，所述切削数据库信息建立方法如下:根据具体刀具和相应工件材料的转 速、每齿进给、切深、切宽多因素正交实验实测锐削力数据，然后使用最小二乘拟合得到切 削力系数。
[0019] 步骤S5,通过二分法求解进给率优化模型：当刀轨上的一个刀位处最大切削力与 设定切削力阔值的误差百分比少于5%时，完成模型优化，获得该刀位处的更新后的进给速 度；否则用该刀位处的更新后的进给速度重新计算该刀位处的最大切削力，并继续模型优 化过程。
[0020] 步骤S6,由获得的刀轨上各刀位处的进给速度W及刀轨各刀位处对应的机床各运 动轴的位置，针对具体的机床数控系统输出相应的数控(NC)代码。
[0021] 步骤S7,使用离散矢量求交法计算当前刀轨加工后工件的几何形状信息。
[0022] 优选地，还包括：
[0023] 步骤S8,重复步骤Sl至步骤S7规划下一行刀轨的进给速度。
[0024] 本发明提出了一种复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法，与现有技 术相比，本发明具有如下有益效果：
[0025] 1、本发明能够满足W下巧中约束：
[0026] 1)机床各轴的速度、加速度、跃度极限约束；
[0027] 2)曲线弓高误差约束；
[0028] 3)刀具切削过程中的最大切削力保持在设定切削力阔值附近约束，并W二分法求 解获取加工刀轨上每个刀位的进给速度；
[0029] 2、本发明适用于五轴数控锐床的自由曲面粗、精加工。
【附图说明】
[0030] 通过阅读参照W下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0031 ]图1为本发明方法的流程示意图。
[0032] 图2为平底圆柱锐刀端锐自由曲面示意图。
[0033] 图2中，1为待加工的毛巧曲面，2为毛巧。
[0034] 图3为平底圆柱锐刀沿轴线方向将刀具上刀齿部分离散为N个等高度圆盘单元。
[0035] 图3中，XtO记T为刀具坐标系。
[0036] 图4为平底圆柱锐刀上第k个离散圆盘与工件的局部晒合示意图。
[0037] 图4中，XtO巧T为刀具坐标系，CO为刀具转动方向，f为工件相对刀具的进给方向， dFtu,k为第k个圆盘上第j个刀齿的单元切向切削力，dFw,k为第k个圆盘上第j个刀齿的单 元径向切削力，4 j,k(z)为瞬时接触角。
[0038] 图5为离散矢量求交法计算刀具参与切削区域示意图。
[0039] 图5中，3为设计曲面在离散点处的法向量方向，4为刀具参与切削区域。
【具体实施方式】
[0040] 下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在W本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可W做出若干变形和改进，运些都属于本发明的保 护范围。
[0041 ]实施例
[0042] 本实施例提供了一种复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法，包括如 下步骤：
[0043] 步骤SI,读入设计曲面所对应的第一行刀轨中的离散刀位，经机床运动学反解后 获得机床各运动轴(W下简称各轴)离散位置；
[0044] 步骤S2,使用3次B样条曲线插值机床各轴离散位置，W等参数间隔在曲线参数区 间上采样，建立满足机床各轴速度、加速度、跃度极限约束W及曲线弓高误差约束的时间最 优进给速度规划模型；使用现有的线性规划方法求解该模型，得到刀轨上各刀位处满足机 床性能的最大进给速度；
[0045] 步骤S3, W进给速度最大为目标，刀具切削过程中的最大切削力保持在设定切削 力阔值附近为约束，同时各刀位的进给速度不能超过该刀位处的最大进给速度，建立进给 率优化模型；
[0046] 步骤S4,根据工件、刀具几何信息和刀轨信息，使用离散矢量求交法确定刀具参与 切削区域W及相应的切入切出角，并计算切削过程中的切削力；
[0047] 步骤S5, W二分法求解进给率优化模型：当刀具的最大切削力与设定切削力阔值 的误差百分比少于5%时，完成模型优化，获得该刀位处的进给速度，否则用更新后的进给 速度重新计算刀具所受的最大切削力，并W此为约束继续优化过程；
[0048] 步骤S6,由获得的各刀位的进给速度和各刀位对应的机床各轴位置，针对具体的 机床数控系统输出相应的数控代码；
[0049] 步骤S7,使用离散矢量求交法计算当前刀轨加工后的工件几何信息；
[0050] 步骤S8, W上述相同方法规划下一行刀轨的进给速度。
[0051] 在本实施例中，首先使用时间最优速度规划模型得到刀轨上各刀位处满足机床性 能和曲线弓高误差约束的最大进给速度，然后在此基础上求解最优进给速度使得刀具切削 过程中的最大切削力保持在给定切削力阔值附近。
[0052] 下面结合附图对本实施例进一步描述。
[0053] 本实施例提出的复杂曲面五轴平底刀宽行加工进给率离线规划方法，其流程如图 1所示。首先，读入设计曲面所对应的离散刀位文件。针对曲面的第一行加工刀轨，将刀轨上 的离散刀位经机床运动学反解，获得机床各轴离散位置;用3次B样条曲线插值机床各轴离 散位置；W等参数间隔在机床各轴的样条曲线参数区间上采样，W机床各轴的速度、加速 度、跃度极限和曲线弓高误差为约束，建立时间最优的进给速度规划模型，得到刀轨上各刀 位处满足机床性能的最大进给速度;使用离散矢量求交法(discrete vector method)确定 刀轨上每个刀位处的刀具-工件晒合区域，确定刀具上参与切削的区域W及相应的切入切 出角;根据切削数据库中保存的工件材料信息、刀具几何信息和切削力系数，估算切削过程 中的切削力；W进给速度最大为目标，刀具切削过程中的最大切削力保持在设定切削力阔 值附近为约束，同时进给速度要少于最大允许进给速度，建立进给率优化模型，并W二分法 求解该优化模型获得该刀位的进给速度;最后由求解出的各刀位的进给速度和各刀位对应 的机床各轴位置，针对具体的机床数控系统输出相应的NC代码。
[0054] 在W下具体描述中，W平底圆柱锐刀用端锐方法精加工自由曲面(图2)为例，类似 的方法可W应用于球头圆柱锐刀及圆锥锐刀端锐。并设刀具为顺锐，且针对设计曲面精加 工的离散刀位文件已经由商用CAM软件给出。
[0055] 1)读入设计曲面所对应的第一行刀轨中的离散刀位，经机床运动学反解后获得机 床各轴离散位置。
[0化6]离散刀位可表示为集合形式 CLs = {(Xi|(Xi=(xi，yi，zi，ii，ji，ki)T，i = l，...，m}， 其中每一刀位CLi= (xi，yi，zi，ii，个分量表示刀具参考点在工件坐标系中的 坐标，后=个分量表示刀具轴线方向在工件坐标系中的坐标。不失一般性，设五轴机床各轴 变量为X，Y，Z，B，C。根据五轴机床反向运动学，离散刀位经反解获得机床各轴离散位置。经 反解后的机床坐标系中的各轴离散位置的集合形式为Ms={(Xi，Yi，Zi，Bi，Ci)T，i = l，...， m} O
[0057] 2)利用3次B样条曲线插值机床各轴位置，W等参数间隔在机床各轴的曲线参数区 间上采样，W机床各轴的速度、加速度、跃度极限和曲线弓高误差为约束，建立时间最优的 进给速度规划模型；
[0058] 设刀轨在机床坐标系下的刀尖点位置轨迹线为PU),令O(U)= I IP/(U) M表示刀 尖点参数速度，V(M) = 挺.+拷+挺表示进给速度。由于dt