环形刀四轴定轴加工刀位确定方法、装置及电子设备

摘要

本发明提供了一种环形刀四轴定轴加工刀位确定方法、装置及电子设备，属于多轴数控加工技术领域。所述方法包括：以目标曲面上的刀位点为原点建立局部坐标系；根据加工坐标系和所述局部坐标系，确定刀轴矢量；构建刀具‑曲面位置关系优化模型，并根据所述优化模型对刀具抬刀量进行优化，得到刀心点在所述加工坐标系下的坐标；根据所述刀轴矢量和所述刀心点在所述加工坐标系下的坐标确定加工刀位。本发明实施例提供的环形刀四轴定轴加工刀位计算方法，解决了当前商用CAM软件无法进行四轴定轴加工刀位计算的问题，为四轴机床(尤其是不具备四轴联动补偿功能的四轴机床)的复杂曲面高效数控加工提供了一种行之有效的解决方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种环形刀四轴定轴加工刀位确定方法、装置及电子设备，属于多轴数控加工技术领域。

背景技术

四轴机床由于比三轴机床多一个回转轴，刀具相对于工件的姿态可调，是目前制造业加工复杂曲面的常用设备。

若使用球头刀进行精加工，由于球头刀与曲面接触面积小，加工行宽很窄，加工效率很低；现有计算机辅助制造软件(CAM)能够编制基于环形刀的四轴联动加工刀轨，使刀具与曲面贴合率较高，加工效率也得到了提升。但受生产成本等条件限制，目前，不少厂家使用的四轴机床的数控系统并不支持四轴联动，即不具备四轴联动误差补偿功能，针对此类机床，四轴联动加工的精度无法保证，只适用于四轴定轴加工方式，但目前的商用CAM软件却基本不支持四轴定轴加工的刀位计算。

因此，亟需一种环形刀四轴定轴加工刀位确定方法以提高加工效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环形刀四轴定轴加工刀位计算方法，解决了当前商用CAM软件无法进行四轴定轴加工刀位计算的问题，为四轴机床(尤其是不具备四轴联动补偿功能的四轴机床)的复杂曲面高效数控加工提供了一种行之有效的解决方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的如下技术方案：

一种环形刀四轴定轴加工刀位确定方法，包括：

以目标曲面上的刀位点为原点建立局部坐标系；

根据加工坐标系和所述局部坐标系，确定刀轴矢量；

构建刀具-曲面位置关系优化模型，并根据所述优化模型对刀具抬刀量进行优化，得到刀心点在所述加工坐标系下的坐标；

根据所述刀轴矢量和所述刀心点在所述加工坐标系下的坐标确定加工刀位。

在一可选实施例中，所述局部坐标系中X轴方向与机床旋转轴的方向平行，Y轴方向根据所述刀位点对应的目标曲面的法矢量确定。

在一可选实施例中，所述的根据加工坐标系和所述局部坐标系，确定刀轴矢量，包括：

根据加工坐标系和所述局部坐标系，确定所述刀位点对应的刀具滚摆角；

根据确定的刀具滚摆角，将所述局部坐标系的Z轴绕X轴旋转；

根据旋转后的Z轴方向矢量确定刀轴矢量。

在一可选实施例中，所述局部坐标系中：

其中，为X轴方向矢量，为Y轴方向矢量，为Z轴方向矢量，n为所述刀位点对应的目标曲面的法矢量，ω为机床旋转轴的方向矢量，f为刀具进给方向矢量。

在一可选实施例中，所述的根据加工坐标系和所述局部坐标系，确定所述刀位点对应的刀具滚摆角，包括：

根据下式求解所述刀位点对应的局部坐标系的Z轴绕X轴旋转至与s平行时的夹角β：

根据确定所述刀位点对应的Δβ；

根据下式求解所述刀位点对应的刀具滚摆角α：

其中，s为加工坐标系的Z轴方向矢量，为所述刀位点所在刀轨行上的所有刀位点对应的夹角β的平均值。

在一可选实施例中，步骤3中所述的刀具-曲面位置关系优化模型为W^*＝{maxW(α,δ)|s.t.(α,δ)∈D}；

其中：D＝{(α,δ)|E(α,δ)≥r}，E(α,δ)表示在参数条件(α,δ)下，刀具被离散成由多个点Q_i构成的环心圆，各点Q_i到所述目标曲面的最短距离d_i的集合；α为刀具滚摆角，δ为抬刀量，r为环形刀的圆环面截圆半径，W为加工行距。

一种环形刀四轴定轴加工刀位确定装置，包括：

局部坐标系建立模块，用于以目标曲面上的刀位点为原点建立局部坐标系；

第一确定模块，用于根据加工坐标系和所述局部坐标系，确定刀轴矢量；

优化模块，用于构建刀具-曲面位置关系优化模型，并根据所述优化模型对刀具抬刀量进行优化，得到刀心点在所述加工坐标系下的坐标；

第二确定模块，用于根据所述刀轴矢量和所述刀心点在所述加工坐标系下的坐标确定加工刀位。

在一可选实施例中，所述局部坐标系中X轴方向与机床旋转轴的方向平行，Y轴方向根据所述刀位点对应的目标曲面的法矢量确定。

在一可选实施例中，所述第一确定模块，用于：

根据加工坐标系和所述局部坐标系，确定所述刀位点对应的刀具滚摆角；

根据确定的刀具滚摆角，将所述局部坐标系的Z轴绕X轴旋转；

根据旋转后的Z轴方向矢量确定刀轴矢量。

一种电子设备，包括存储器及处理器：

所述存储器用于存储一条或多条计算机指令；

所述处理器用于执行所述一条或多条计算机指令，以用于：

以目标曲面上的刀位点为原点建立局部坐标系；

根据加工坐标系和所述局部坐标系，确定刀轴矢量；

构建刀具-曲面位置关系优化模型，并根据所述优化模型对刀具抬刀量进行优化，得到刀心点在所述加工坐标系下的坐标；

根据所述刀轴矢量和所述刀心点在所述加工坐标系下的坐标确定加工刀位。

本发明的有益效果：

本发明实施例提供的一种环形刀四轴定轴加工刀位确定方法，通过以刀位点为原点建立局部坐标系，根据局部坐标系与加工坐标系确定刀轴矢量；通过构建刀具-曲面位置关系优化模型对刀具抬刀量进行优化，得到刀心点在所述加工坐标系下的坐标，最终确定四轴定轴加工刀位，从而根据确定的加工刀位驱动刀具进行高效、精确加工；本发明实施例提供的环形刀四轴定轴加工刀位确定方法，解决了当前商用CAM软件无法进行四轴定轴加工刀位计算的问题，为四轴机床(尤其是不具备四轴联动补偿功能的四轴机床)的复杂曲面高效数控加工提供了一种行之有效的解决方法。

附图说明

图1为本发明实施例提供的环形刀四轴定轴加工刀位确定方法原理示意图；

图2是本发明实施例提供的环形刀四轴定轴加工刀位确定方法流程图；

图3为本发明实施例提供的刀具-曲面位置关系优化模型原理示意图；

图4为本发明实施例提供的环形刀四轴定轴加工刀位确定装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1和2，本发明实施例提供了一种环形刀四轴定轴加工刀位确定方法，包括以下步骤：

步骤1、以目标曲面上的刀位点为原点建立局部坐标系；

具体地，目标曲面为待加工工件的设计曲面，如图1所示，L为目标曲面上的一行刀路轨迹，点P为L上的任意一点(即当前的刀位点)，OXYZ为以P为原点建立的局部坐标系；OXYZ优选其中一坐标轴方向与机床旋转轴的方向平行，另一坐标轴方向根据所述刀位点对应的目标曲面的法矢量确定，优选局部坐标系中X轴方向与机床旋转轴的方向平行，Y轴方向根据所述刀位点对应的目标曲面的法矢量确定，以确保刀轴是在垂直于机床旋转轴的平面内旋转；

步骤2、根据加工坐标系和所述局部坐标系，确定刀轴矢量；

如图1所示，坐标系O_mX_mY_mZ_m为工件的加工坐标系，本发明实施例可以根据局部坐标系OXYZ在加工坐标系O_mX_mY_mZ_m中的旋转坐标变换，确定刀轴矢量；

步骤3、构建刀具-曲面位置关系优化模型，并根据所述优化模型对刀具抬刀量进行优化，得到刀心点在所述加工坐标系下的坐标；

本发明实施例中，可以选用已有刀具-曲面位置关系优化模型对刀具抬刀量进行优选，根据抬刀量确定刀心点在加工坐标系下的坐标。

步骤4、根据所述刀轴矢量和所述刀心点在所述加工坐标系下的坐标确定加工刀位。

本发明实施例提供的一种环形刀四轴定轴加工刀位确定方法，通过以刀位点为原点建立局部坐标系，根据局部坐标系与加工坐标系确定刀轴矢量；通过构建刀具-曲面位置关系优化模型对刀具抬刀量进行优化，得到刀心点在所述加工坐标系下的坐标，最终确定四轴定轴加工刀位，从而根据确定的加工刀位驱动刀具进行高效、精确加工；本发明实施例提供的环形刀四轴定轴加工刀位确定方法，解决了当前商用CAM软件无法进行四轴定轴加工刀位计算的问题，为四轴机床(尤其是不具备四轴联动补偿功能的四轴机床)的复杂曲面高效数控加工提供了一种行之有效的解决方法。

在一可选实施例中，步骤2中所述的根据加工坐标系和所述局部坐标系，确定刀轴矢量，包括：

根据加工坐标系和所述局部坐标系，确定所述刀位点对应的刀具滚摆角；

根据确定的刀具滚摆角，将所述局部坐标系的Z轴绕X轴旋转；

根据旋转后的Z轴方向矢量确定刀轴矢量。

根据上述方法，可以精确地将当前行刀轨上所有刀位点的刀轴矢量方向转动至同一个矢量方向，且该矢量即为当前行刀轨对应的刀轴矢量方向，实现了对当前行刀轨的定轴加工。

以下为本发明的一具体方法实施例：

本实施例提供了一种环形刀四轴定轴加工刀位确定方法，包括以下步骤：

步骤(1)：如图1所示，以目标曲面上的刀位点p为原点建立局部坐标系OXYZ，局部坐标系OXYZ中：

X轴方向矢量根据式(1)确定：

Y轴方向矢量根据式(2)确定：

Z轴方向矢量根据式(3)确定：

其中，n为刀位点p对应的目标曲面的法矢量，ω为机床旋转轴的方向矢量且与O_mY_m平行，f为刀具进给方向矢量；

步骤(2)：根据式(4)求解刀位点p对应的局部坐标系的Z轴绕X轴旋转至与s平行时的夹角β：

根据式(5)确定刀位点p对应的Δβ：

根据式(6)求解刀位点p对应的刀具滚摆角α：

其中，s为加工坐标系O_mX_mY_mZ_m的Z轴方向矢量，为刀位点p所在刀轨行L上的所有刀位点对应的夹角β的平均值；

将局部坐标系OXYZ的Z轴绕X轴旋转α；

将旋转后的Z轴方向矢量确定为刀轴矢量T[i,j,k]；

步骤(3)：以刀具到目标曲面的最短距离分布E不小于r作为约束条件，以加工行距W最大化为目标函数，构建如式(7)所示的刀具-曲面位置关系优化模型，对刀具抬刀量进行优化：

W^*＝{maxW(α,δ)|s.t.(α,δ)∈D}(7)

其中：如图3所示，刀具被离散成由多个点Q_i构成的环心圆π，d_i为点Q_i到目标曲面的最短距离，D＝{(α,δ)|E(α,δ)≥r}，E(α,δ)表示在参数条件(α,δ)下，各点Q_i到所述目标曲面的最短距离d_i的集合；α为刀具滚摆角，δ为抬刀量，r为环形刀的圆环面的截圆半径；

根据优化的刀具抬刀量确定刀心角在加工坐标系下的坐标C[x,y,z]；

步骤(4)：输出刀心点坐标C[x,y,z]及刀轴矢量T[i,j,k]。

参见图4，本发明实施例还提供了一种环形刀四轴定轴加工刀位确定装置，包括：

局部坐标系建立模块10，用于以目标曲面上的刀位点为原点建立局部坐标系；

第一确定模块20，用于根据加工坐标系和所述局部坐标系，确定刀轴矢量；

优化模块30，用于构建刀具-曲面位置关系优化模型，并根据所述优化模型对刀具抬刀量进行优化，得到刀心点在所述加工坐标系下的坐标；

第二确定模块40，用于根据所述刀轴矢量和所述刀心点在所述加工坐标系下的坐标确定加工刀位。

在一可选实施例中，所述局部坐标系中X轴方向与机床旋转轴的方向平行，Y轴方向根据所述刀位点对应的目标曲面的法矢量确定。

在一可选实施例中，第一确定模块20，用于：

根据加工坐标系和所述局部坐标系，确定所述刀位点对应的刀具滚摆角；

根据确定的刀具滚摆角，将所述局部坐标系的Z轴绕X轴旋转；

根据旋转后的Z轴方向矢量确定刀轴矢量。

在一可选实施例中，所述局部坐标系中：

其中，为X轴方向矢量，为Y轴方向矢量，为Z轴方向矢量，n为所述刀位点对应的目标曲面的法矢量，ω为机床旋转轴的方向矢量，f为刀具进给方向矢量。

所述的根据加工坐标系和所述局部坐标系，确定所述刀位点对应的刀具滚摆角，包括：

根据下式求解所述刀位点对应的局部坐标系的Z轴绕X轴旋转至与s平行时的夹角β：

根据确定所述刀位点对应的Δβ；

根据下式求解所述刀位点对应的刀具滚摆角α：

其中，s为加工坐标系的Z轴方向矢量，为所述刀位点所在刀轨行上的所有刀位点对应的夹角β的平均值。

所述的刀具-曲面位置关系优化模型为W^*＝{maxW(α,δ)|s.t.(α,δ)∈D}；

其中：D＝{(α,δ)|E(α,δ)≥r}，E(α,δ)表示在参数条件(α,δ)下，刀具被离散成由多个点Q_i构成的环心圆，各点Q_i到所述目标曲面的最短距离d_i的集合；α为刀具滚摆角，δ为抬刀量，r为环形刀的圆环面截圆半径，W为加工行距。

本发明装置实施例与方法实施例一一对应，具有方法实施例的有益效果，具体描述参见方法实施例，在此不再赘述。

本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器及处理器：

所述存储器用于存储一条或多条计算机指令；

所述处理器用于执行所述一条或多条计算机指令，以用于：

以目标曲面上的刀位点为原点建立局部坐标系；

根据加工坐标系和所述局部坐标系，确定刀轴矢量；

构建刀具-曲面位置关系优化模型，并根据所述优化模型对刀具抬刀量进行优化，得到刀心点在所述加工坐标系下的坐标；

根据所述刀轴矢量和所述刀心点在所述加工坐标系下的坐标确定加工刀位。

本发明电子设备实施例与方法实施例一一对应，具有方法实施例的有益效果，具体描述参见方法实施例，在此不再赘述。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。所述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的人员可以对所述的具体实施例做不同的修改或补充或采用类似的方式代替，但不偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。