專利名稱：雙線驅(qū)動曲面寬行加工刀軌規(guī)劃的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)控機床加工曲面的刀軌規(guī)劃方法，尤其涉及一種雙線驅(qū)動曲面寬行加工刀軌規(guī)劃的方法。
背景技術(shù)：
利用具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的環(huán)面刀具和鼓形刀具加工自由曲面可以有效地增加行寬和降低波紋度，因此近年來得到極大的發(fā)展。并以增加行距寬度和降低波紋度成為曲面加工的重要發(fā)展方向。
現(xiàn)有技術(shù)中，自由曲面的刀軌規(guī)劃方法有多種方法。
現(xiàn)有技術(shù)一，采用刀觸點連接相鄰行以實現(xiàn)刀軌規(guī)劃的方法，利用上一行刀軌上的所有刀位的有效特征線段的一個同側(cè)端點的連線構(gòu)成下一行刀軌的有效特征線段的另一端端點的驅(qū)動線；
現(xiàn)有技術(shù)二，按照每行刀軌上各刀觸點所求各個刀位最大行寬中的最窄行寬進(jìn)行刀軌規(guī)劃的方法，這樣不僅可以最大限度提高加工行寬而且能夠兼顧刀軌的光順和平直。上述現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點
如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)一的方法規(guī)劃的刀軌會導(dǎo)致后續(xù)的刀軌嚴(yán)重畸變，這不僅使后續(xù)刀軌的有效行寬受到影響，而且會導(dǎo)致機床在高加速度下運行，這種情況不利于提高效率和加工質(zhì)量。
如圖2所不，現(xiàn)有技術(shù)二的方法不口i避免的尖銳殘高將嚴(yán)重影響曲面的加工質(zhì)量并增加人工拋光的工作量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有較高的加工效率和加工質(zhì)量的雙線驅(qū)動曲面寬行加工刀軌規(guī)劃的方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
本發(fā)明的雙線驅(qū)動曲面寬行加工刀軌規(guī)劃的方法，包括步驟
A、根據(jù)加工的要求設(shè)定走刀方向，并根據(jù)所述走刀方向確定第一驅(qū)動線；
3B、 將所述第一條驅(qū)動線上離散成多個第一刀觸點，根據(jù)刀具和曲面的性質(zhì)及加工誤差的要求，找出所述多個第一刀觸點分別對應(yīng)的最優(yōu)刀位和最大行寬，從而確定每個第一刀觸點相對應(yīng)第二刀觸點；
C、 根據(jù)所述最大行寬中的最窄行寬，按預(yù)定的規(guī)劃原則確定第二驅(qū)動線；
D、 通過所述第一驅(qū)動線和第二驅(qū)動線對所述刀具進(jìn)行重新定位，使所述刀具的每個刀位都與所述曲面在所述第一驅(qū)動線和第二驅(qū)動線上分別相切觸。
由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的雙線驅(qū)動曲面寬行加工刀軌規(guī)劃的方法，由于首先設(shè)定的走刀方向確定第一驅(qū)動線，并根據(jù)刀具和曲面的性質(zhì)及加工誤差的要求，找出第一驅(qū)動線上所有刀觸點對應(yīng)的最優(yōu)刀位和最大行寬，從而確定相應(yīng)第二刀觸點；其次，找出所有最大行寬中的最窄行寬，從而按某種規(guī)劃原則確定第二驅(qū)動線；然后，通過第一驅(qū)動線和第二驅(qū)動線對刀具進(jìn)行重新定位，使刀具的每個刀位都與曲面在第一驅(qū)動線和第二驅(qū)動線上分別相切觸。使每個刀位上的兩個刀觸點沿著這兩條驅(qū)動線移動，使相鄰行刀軌在銜接處的包絡(luò)特征線能夠相切，從而使相鄰刀軌之間光滑過渡，消除刀軌銜接處的尖銳殘高、縮短手工拋磨時間。具有較高的加工效率和加工質(zhì)量。


圖l為現(xiàn)有技術(shù)一中后續(xù)刀軌累積畸變示意圖2為現(xiàn)有技術(shù)二中刀軌等參數(shù)排列時形成的尖銳殘高示意圖3a、圖3b為本發(fā)明中刀具與工件設(shè)計曲面的兩個刀觸點的分布示意圖4為本發(fā)明中兩行刀軌上多個刀位的銜接原理圖5為本發(fā)明中雙線驅(qū)動寬行加工曲面的示意圖6為本發(fā)明中雙線驅(qū)動的刀軌規(guī)劃示意圖7為本發(fā)明中刀軌規(guī)劃的具體實施例的流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的雙線驅(qū)動曲面寬行加工刀軌規(guī)劃的方法，其較佳的具體實施方式
是，包括
步驟A、根據(jù)加工的要求設(shè)定走刀方向，并根據(jù)走刀方向確定第一驅(qū)動線；
步驟B、根據(jù)刀具和曲面的性質(zhì)及加工誤差的要求，確定刀具與曲面的兩個刀觸點，
分別為第一刀觸點和第二刀觸點，并將所述第一刀觸點設(shè)于所述第一驅(qū)動線上。具體可
以
首先，將所述第一驅(qū)動線離散成多個第一刀觸點；然后，根據(jù)每個第一刀觸點對應(yīng)的最優(yōu)刀位和最大行寬確定相應(yīng)的第二刀觸點。也可以采用其它的方法對刀具與曲面的兩個刀觸點進(jìn)行確定。
步馬聚C、找出所有最大行寬中的最窄行寬，從而按某種規(guī)劃原則確定第二驅(qū)動線。具體可以首先，對多個第一刀觸點對應(yīng)的最優(yōu)刀位和最大行寬進(jìn)行比較；然后，找出所有最大行寬中的最窄行寬，并以該最窄行寬為本行刀軌的行寬，確定第二驅(qū)動線。也可以采用其它的方法對第二驅(qū)動線進(jìn)行確定。
步驟D、通過第一驅(qū)動線和第二驅(qū)動線對刀具進(jìn)行重新定位，使刀具的每個刀位都與曲面在第一驅(qū)動線和第二驅(qū)動線上分別相切觸。包括對刀具的刀軸矢量和刀心位置矢量進(jìn)行確定等。
上述的步驟D之后還包括
以第二驅(qū)動線作為下一行刀軌的第一驅(qū)動線，并重復(fù)步驟B — D，直到遍歷整個曲面。
本發(fā)明通過設(shè)置兩條驅(qū)動線并令每個刀位上的兩個刀觸點沿著這兩條驅(qū)動線移動使相鄰行刀軌在銜接處的包絡(luò)特征線能夠相切，從而使相鄰刀軌之間光滑過渡，消除刀軌銜接處的尖銳殘高、顯著縮短手工拋磨時間。
本發(fā)明的雙線驅(qū)動曲面寬行加工刀軌規(guī)劃的方法的基本原理
多點法指出，利用環(huán)面刀具加工自由曲面時，刀具和工件之間存在兩個以上刀觸點。合理選擇刀位可以使兩刀觸點之間的距離或該距離線段在垂直于進(jìn)給方向平面的投影長度(刀觸點間行寬)達(dá)到最大化，也可以使有效特征線段端點之間的距離或該距離線段在垂直于進(jìn)給方向平面的投影長度(端點間行寬)達(dá)到最大化，此時刀具和工件設(shè)計曲面能實現(xiàn)密切貼合，在控制誤差一定時可以顯著增加加工行寬，從而大幅度提高加工效率。
如圖3a、圖3b所示，h為給定的曲面公差，當(dāng)?shù)毒吲c工件設(shè)計曲面的一個刀觸點c,M給定時，那么另一個刀觸點存在于工件曲面上的一條連續(xù)曲線《2。,2《2上，而且隨著刀觸點
間距離的減小，最大加工誤差s也減少。
雙線驅(qū)動刀軌規(guī)劃的基本原理如下
首先，找出一行刀軌上(即第一驅(qū)動線PJ所有刀觸點對應(yīng)的最優(yōu)刀位和最大行寬，并確定相應(yīng)的第二刀觸點；
其次，找出所有最大行寬中的最窄行寬，并以該最窄行寬為準(zhǔn)確定第二驅(qū)動線取+,;
然后，分別在這兩條驅(qū)動線上重新定位刀具，使每個刀位都與工件曲面在兩驅(qū)動線上相切觸；
最后，后續(xù)刀軌以前面刀軌為基準(zhǔn)順序相切排列，直到遍歷整個曲面。具體實施例
以一行中兩刀觸點之間的距離在與進(jìn)給方向垂直平面投影距離為最小的刀位作為基準(zhǔn)刀位，令其一個刀觸點在上一行的邊界線上滑動，并設(shè)定一條通過其另一個刀觸點的曲線(如與上一邊界構(gòu)成有一定距離的等參數(shù)線或等截面線)作為本行的邊界線，再令本行上 其它刀位的兩個刀觸點必須位于這兩條曲線上，這樣就可以保證行與行之間始終在刀觸點 處銜接，從而實現(xiàn)一階切觸銜接。
具體實施方法如圖4所示，對于給定的工件曲面L 一般按照曲面的總體結(jié)構(gòu)、曲面上主曲率 方向的分布和特定的加工工藝要求，編程人員可以預(yù)先確定刀軌的走向和相鄰刀軌的排列方式。如錯 誤！未找到引用源。所示，工件曲面r，物是工件曲面2"上的第Z行刀軌的左驅(qū)動線(即第/行刀軌中刀具 上左側(cè)切觸點的軌跡)，設(shè)在其上取5個采樣點作為各相應(yīng)刀位的第一切觸點c,，"j'二 0,1,2,3,4,對于
每個采樣點利用多點法分別求解滿足給定最大加工誤差要求的相應(yīng)刀位上的第二切觸點 / = 0,1,2,3,4 ，這些第二切觸點的連線稱為實際右驅(qū)動線&。，并得到相應(yīng)的加工行寬
w,,j' = 0,1,2,3,4。比較以上這些行寬Ww,，然后以最窄的加工行寬氣, =1^11{>^.} = ，.2作為本行刀
軌的加工帶寬(見錯誤！未找到引用源。)。隨后，可以按照與左驅(qū)動線取成一定參數(shù)距離或其它關(guān) 系的等參數(shù)、等截面線等方法確定本行刀軌的右驅(qū)動線取+/ (即第Z行刀軌中刀具上右側(cè)切觸點的軌跡) 即相鄰下一行刀軌的左驅(qū)動線。然后，再利用多點法對于左驅(qū)動線扭上第一切觸點c,，"j、 0,1,2,3,4分
別求解位于右驅(qū)動線取+/上第二切觸點&+7"> = 0,1,2,3,4，以及所對應(yīng)的刀位和刀軸矢量。最后，重
新生成了工件曲面2"上的第/行刀軌。如圖5所示，為雙線驅(qū)動寬行加工曲面2的示意圖。
雙線驅(qū)動寬行加工刀軌規(guī)劃的計算方法
刀具路徑規(guī)劃好壞將直接影響曲面的加工效率和加工質(zhì)量，因此刀軌規(guī)劃在曲面加工 中具有十分重要的意義。本發(fā)明的雙線驅(qū)動寬行加工刀軌規(guī)劃策略主要著眼于提高工件曲 面的表面質(zhì)量以及消除刀軌之間尖銳的殘高，從而減少了手工拋磨的時間。最后，只需少 量的拋光，即可完成整個工件曲面的加工，因此工件曲面總加工時間將會縮短，加工效率 將得到提高。雙線驅(qū)動寬行加工刀軌規(guī)劃的具體計算步驟如下所述
如圖6戶萬示，首先，通過分析給定的參數(shù)曲面的性質(zhì)，事先確定刀具最佳走刀方向。如錯誤！未
找到引用源。所示，工件曲面加工的刀軌規(guī)劃在參數(shù)域中描述，曲面在參數(shù)域中的加工范圍為 , ,," , ;|，1^卜,, ,,,、 ;]。假設(shè)刀具沿v參數(shù)方向走刀，M腦代表曲面加工的起始邊界，"，代表曲面加
工的終止邊界，取代表第/行刀軌的左驅(qū)動線，0 是由第/行刀軌左驅(qū)動線的利用多點法求解滿足給定最 大欠切誤差要求的相應(yīng)最優(yōu)刀位所對應(yīng)的實際右驅(qū)動線，取+;是由實際右驅(qū)動線0 按一定的原則重新規(guī) 劃所確定右驅(qū)動線，也即第/+/行刀軌左驅(qū)動線。設(shè)。,;為的上第y個切觸點，p為參數(shù)圓;r的參數(shù)半徑，p 為參數(shù)圓半徑p與曲面上點c^的"向切矢之間的夾角，。,2是由切觸點C^在刀軌右驅(qū)動線取W上所求得的 刀具與曲面之間的第二個切觸點，即參數(shù)圓7T與刀軌右驅(qū)動線取+;的交點。
雙線驅(qū)動的刀軌規(guī)劃方法的流程圖如圖7所示，具體刀軌規(guī)劃的過程如下
1. 給定曲面的加工范圍"e [wm, ,w_], v e , ，及曲面給定的加工公差/z。
2. 設(shè)曲面加工的第/行刀軌的左驅(qū)動線取，/=0,1,2,...，如錯誤！未找到引用源。所示，其中 w = w,， n 。3. 將刀軌左驅(qū)動線取離散成似+l個切觸點 ，(戶0,l,2,…,M)作為取上的第一切觸點，如錯 誤！未找到引用源。所示。
4. 對于刀軌取上的Vc力,利用多點法分別求解滿足給定最大欠切誤差A(yù)要求的相應(yīng)刀位上的第二切 觸點y = 0，1,2,3,…,M ,從而求得Vc^的最優(yōu)行寬。
5. 判斷j'〉M ，是，繼續(xù)；否，/ = > + 1，轉(zhuǎn)到步驟4。
6. 求解刀軌的上所有切觸點?？谒鶎?yīng)的行寬中最窄的行寬w,mm=min{w,》，j'=0,l，2,...,M 。
7. 確定刀軌的的右驅(qū)動線取+;即第/+1行刀軌的左驅(qū)動線，= w, + 。
8. 利用多點法重新計算第/行刀軌取上在其右驅(qū)動線取y所對應(yīng)的右切觸點 。2, _/ = 0，1,2,3,…,M ， wv
= "、,
+，"v"[l] = wv;,[l] +w,腳tan- ，其中，mv,[2]為切觸
點try的"禾[l V參數(shù)值，MV/,[2]為切觸點Cw的M禾U V參數(shù)值。
9. 由第/行刀軌左驅(qū)動線上的切觸點。/和相應(yīng)右驅(qū)動線上的c^確定刀具位置^,和刀軸矢量
10. 判斷/>^ ，是，繼續(xù)；否，J' = J' + 1，轉(zhuǎn)到步驟8。
11. 判斷刀軌的的右驅(qū)動線取+;是否超出了曲面加工的最大邊界M匿即W, >"皿？，是，曲面加工完 畢，程序結(jié)束；否，/ = / + 轉(zhuǎn)到步驟2。
通過測試曲面對本發(fā)明進(jìn)行實驗驗證
采用環(huán)心圓半徑為5腿，截圓半徑為3咖的圓環(huán)面刀進(jìn)行加工，給定的加工誤差為
0. Ol隱。
設(shè)定刀具的走刀方向，并取初始路徑iWfO，將每行離散100個刀觸點，生成一行刀觸 點軌跡，每行上取10個采樣點計算最優(yōu)的行寬，生成刀具路徑，總共17行刀軌，把生成的 刀位文件在Vericut中進(jìn)行模擬仿真加工。
加工后的結(jié)果表明，欠切誤差在0.005 0.01mm之間，滿足給定的加工公差要求，兩行 刀軌之間是光滑過渡的，無任何尖銳的殘高。仿真結(jié)果表明，本發(fā)明的刀軌規(guī)劃方法確實 能保證兩行刀軌銜接處無尖銳的殘高、且兩行刀軌之間能光滑過渡，從而提高了工件曲面 的表面質(zhì)量。
本發(fā)明基于環(huán)面刀具和加工曲面存在兩個以上刀觸點的原理和刀具上第二刀觸點存在 于一條連續(xù)曲線之上的原理，提出了一種雙線驅(qū)動寬行加工刀軌規(guī)劃策略，使兩行刀軌在 銜接處分別都與加工曲面相切觸，從理論上消除了尖銳殘高，同時消除現(xiàn)有技術(shù)中的刀軌 規(guī)劃的刀軌累計畸變，為實現(xiàn)高質(zhì)量的自動化"拋磨"和"拋銑"提供了理論基礎(chǔ)和基本 方法，可用于提高工件曲面的加工質(zhì)量、縮短手工拋磨時間。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種雙線驅(qū)動曲面寬行加工刀軌規(guī)劃的方法，其特征在于，包括步驟A、根據(jù)加工的要求設(shè)定走刀方向，并根據(jù)所述走刀方向確定第一驅(qū)動線；B、將所述第一條驅(qū)動線上離散成多個第一刀觸點，根據(jù)刀具和曲面的性質(zhì)及加工誤差的要求，找出所述多個第一刀觸點分別對應(yīng)的最優(yōu)刀位和最大行寬，從而確定每個第一刀觸點相對應(yīng)第二刀觸點；C、根據(jù)所述最大行寬中的最窄行寬，按預(yù)定的規(guī)劃原則確定第二驅(qū)動線；D、通過所述第一驅(qū)動線和第二驅(qū)動線對所述刀具進(jìn)行重新定位，使所述刀具的每個刀位都與所述曲面在所述第一驅(qū)動線和第二驅(qū)動線上分別相切觸。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙線驅(qū)動曲面寬行加工刀軌規(guī)劃的方法，其特征在于，所述 步驟C中，首先，對多個所述第一刀觸點對應(yīng)的最優(yōu)刀位和最大行寬進(jìn)行比較；然后，找出所有最大行寬中的最窄行寬，并以該最窄行寬為本行刀軌的行寬，確定所 述第二驅(qū)動線。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙線驅(qū)動曲面寬行加工刀軌規(guī)劃的方法，其特征在于， 所述步驟D之后還包括以所述第二驅(qū)動線作為下一行刀軌的第一驅(qū)動線，重復(fù)步驟B — D，直到遍歷整個曲面。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙線驅(qū)動曲面寬行加工刀軌規(guī)劃的方法，其特征在于，所述 步驟D中，對所述刀具進(jìn)行重新定位包括對所述刀具的刀軸矢量和刀心位置矢量進(jìn)行確定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙線驅(qū)動曲面寬行加工刀軌規(guī)劃的方法，首先根據(jù)設(shè)定的走刀方向確定第一驅(qū)動線，并根據(jù)刀具和曲面的性質(zhì)及加工誤差的要求，確定刀具與曲面的兩個刀觸點及第二驅(qū)動線；然后，通過第一驅(qū)動線和第二驅(qū)動線對刀具進(jìn)行重新定位，使刀具的每個刀位都與曲面在第一驅(qū)動線和第二驅(qū)動線上分別相切觸。使每個刀位上的兩個刀觸點沿著這兩條驅(qū)動線移動，使相鄰行刀軌在銜接處的包絡(luò)特征線能夠相切，從而使相鄰刀軌之間光滑過渡，消除刀軌銜接處的尖銳殘高、縮短手工拋磨時間。具有較高的加工效率和加工質(zhì)量。
文檔編號B23Q15/00GK101462239SQ20091007626
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月8日
發(fā)明者徐汝鋒, 陳志同 申請人:北京航空航天大學(xué)