一种针对直刃尖刀超声切削的后处理方法

摘要

一种针对直刃尖刀超声切削的后处理方法，它涉及一种新型刀具加工的后处理方法。本发明的目的是为了解决直刃尖刀在超声切削曲面零件时，无法直接在CAM软件中进行数控编程以及无对应后处理软件使用的问题。本发明具有以下步骤：S1、采用平头铣刀对零件进行五轴数控编程；S2、进行刀位点和刀轴矢量的转换；S3、计算机床X、Y、Z、A、C坐标值；S4、计算直刃尖刀旋转角H。本发明可用于各类型蜂窝芯材料的超声切削加工，解决了直刃尖刀无法加工曲面零件的应用难题，拓宽了直刃尖刀的应用范围，从而大幅提升了零件的加工效率。

说明书

技术领域

本发明涉及数控加工技术领域，具体涉及一种针对直刃尖刀超声切削的后处理方法。

背景技术

蜂窝芯复合材料作为一种新型轻量化材料，因其具有极高的比强度和比刚度、优异的耐疲劳性能和耐腐蚀性能等优点，故被泛应用于航空航天和轨道交通等领域。随着蜂窝芯曲面零件的大量应用，对该材料的超声切削加工也提出了更高的要求。

在使用直刃尖刀对蜂窝芯曲面零件进行超声切削时，刀具做高频切削运动且需要进行连续偏转，但现有CAM编程技术无法直接实现该动作要求且无对应后处理软件。虽有学者提出等效替代编程法及相应的后处理方法，但经分析该方法仍具有较大的局限性，主要包括编程误差和刀具旋转限制，致使其无法对复杂曲面零件进行加工，故针对该需求开发相应的后处理软件便成为亟待解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决直刃尖刀在超声切削曲面零件时，无法直接在CAM软件中进行数控编程以及无对应后处理软件使用的问题。

本发明的技术方案是：一种针对直刃尖刀超声切削的后处理方法，具有如下步骤：

S1、采用平头铣刀对零件进行五轴数控编程，并得到相应的刀位文件；

S2、从刀位文件中获取平头铣刀的刀位点和刀轴矢量，基于此进行待编程直刃尖刀的刀位点和刀轴矢量的转换，并计算直刃尖刀的实时刀面矢量；

S3、基于直刃尖刀信息计算机床X、Y、Z、A、C坐标值；

S4、基于直刃尖刀旋转A角和C角时的旋转矩阵，获取旋转后的刀面矢量，基于旋转后的刀面矢量和实时刀面矢量的关系进行直刃尖刀旋转角的计算。

进一步地，所述平头铣刀的底面半径为e；

所述直刃尖刀的刀尖半角为θ，底部刃口半长为d，刀具摆长为L；

所述步骤S2中，进行刀位点和刀轴矢量转换的具体计算过程如下：

在对零件进行五轴数控编程后，平头铣刀在每个刀位点处均会产生对应的刀位点o(x,y,z)和刀轴矢量t(i,j,k)，从而每相邻两刀位点的连线就能构成一个切线矢量，记为r。令刀轴矢量与切线矢量进行叉乘，可得平头铣刀中性面的法向量，也即直刃尖刀的刀面矢量，记为w，其计算公式为：w＝t×r；

平头铣刀的刀轴矢量t即为直刃尖刀的刀刃矢量，将t绕着刀尖处的刀面矢量w旋转θ角，可得直刃尖刀的刀轴矢量T，即T＝R·t。其中，R为平头铣刀刀轴矢量t绕w旋转的旋转矩阵，w’为w的单位向量，记坐标值为(a,b,c)。

将平头铣刀和直刃尖刀的刀轴矢量和旋转矩阵分别进行齐次化：

t＝(i j k 0)

进一步地，将铣刀底面中心D沿刀面矢量w平移半径e可得直刃尖刀刀刃点E，即E＝D+ew'。借助右手螺旋定则可得O点处刀具底部刃口的方向矢量G，再将点E沿方向矢量G平移距离d便可得刀位点O，即G＝T×w和O＝E+dG'。

进一步地，所述步骤S3中，计算机床X、Y、Z、A、C坐标值的具体计算过程如下：

本发明以AC双摆头五轴数控机床为例进行说明，分别建立机床坐标系(O

P＝(0 0 -L 1)

当机床运动指令为(X，Y，Z，A，C)时，MCS、RCS和WCS均保持不动，旋转中心坐标系将在三个主矢量方向上分别平移X、Y、Z。同时，双摆头也会带动刀具绕旋转中心分别转过A角和C角。可得平移矩阵和旋转矩阵分别为：

在机床运动时，RCS相对WCS的距离始终为L，故其平移矩阵为：

在WCS中刀具的刀位点和刀轴矢量可用齐次坐标表示为：

P

由运动关系可知，总变换矩阵为：

(P

联立上述各式可得机床的运动控制命令为：

所述步骤S4中，计算直刃尖刀旋转角H的具体计算过程如下：

对起始刀面矢量进行齐次化：w

由于上述所得H角为标量，并不具备方向性，故借助右手螺旋定则来对其方向进行确定，定义新方向矢量F＝w'×w，通过该向量的z值正负来进行正反转判断，即：F

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

当前，现有直刃尖刀超声切削的后处理方法具有较大的局限性，主要包括编程误差和刀具旋转限制，究其原因是直刃尖刀编程方法和主轴旋转角算法存在一定问题。本发明系统的提出了直刃尖刀的后处理解决方法，通过引入刀面矢量概念，从而实现了CAM软件中已有刀具向直刃尖刀的数据转换，解决了直刃尖刀无法直接编程的问题，规避了等效替代法所带来的编程误差。同时，在空间直角坐标系中完成了直刃尖刀的位姿和旋转角的确定，进而实现了直刃尖刀对各种复杂曲面的超声切削加工。

基于上述理由本发明可在数控加工领域进行广泛推广。

附图说明

图1是直刃尖刀超声切削后处理流程图。

图2是特征件1的三维图。

图3是特征件2的三维图。

图4是部分刀位文件转换NC代码的展示图。

图5是加工完成后的两个特征件及其局部放大图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-图5所示，一种针对直刃尖刀超声切削的后处理方法，具有如下步骤：

S1、采用平头铣刀对零件进行五轴数控编程，并得到相应的刀位文件；

S2、从刀位文件中获取平头铣刀的刀位点和刀轴矢量，基于此进行待编程直刃尖刀的刀位点和刀轴矢量的转换，并计算直刃尖刀的实时刀面矢量；

S3、基于直刃尖刀信息计算机床X、Y、Z、A、C坐标值；

S4、基于直刃尖刀旋转A角和C角时的旋转矩阵，获取旋转后的刀面矢量，基于旋转后的刀面矢量和实时刀面矢量的关系进行直刃尖刀旋转角的计算。

所述平头铣刀半径为e；

所述直刃尖刀的刀尖半角为θ，底部刃口半长为d，刀具摆长为L；

本实施例中，平头铣刀底面半径e＝5mm，直刃尖刀的刀尖半角θ＝11.5°，底部刃口半长d＝0.9mm，刀具摆长L＝500mm。

所述步骤S2中，进行刀位点和刀轴矢量转换的具体计算过程如下：

在对零件进行五轴数控编程后，平头铣刀在每个刀位点处均会产生对应的刀位点o(x,y,z)和刀轴矢量t(i,j,k)，从而每相邻两刀位点的连线就能构成一个切线矢量，记为r。令刀轴矢量与切线矢量进行叉乘，可得平头铣刀中性面的法向量，也即直刃尖刀的刀面矢量，记为w，其计算公式为：w＝t×r；

平头铣刀的刀轴矢量t即为直刃尖刀的刀刃矢量，将t绕着刀尖处的刀面矢量w旋转θ角，可得直刃尖刀的刀轴矢量T，即T＝R·t。其中，R为旋转矩阵，w’为w的单位向量，记坐标值为(a,b,c)。

对刀轴矢量和旋转矩阵分别进行齐次化：

t＝(i j k 0)

将铣刀底面中心D沿刀面矢量w平移半径e可得直刃尖刀刀刃点Q，即E＝D+ew'。借助右手螺旋定则可得O点处刀具底部刃口的方向矢量G，再将点E沿方向矢量G平移距离d便可得刀位点O，即G＝T×w和O＝E+dG'。

所述步骤S3中，计算机床X、Y、Z、A、C坐标值的具体计算过程如下：

本发明以AC双摆头五轴数控机床为例进行说明，分别建立机床坐标系(O

P＝(0 0 -L 1)

当机床运动指令为(X，Y，Z，A，C)时，MCS、RCS和WCS均保持不动，旋转中心坐标系将在三个主矢量方向上分别平移X、Y、Z。同时，双摆头也会带动刀具绕旋转中心分别转过A角和C角。可得平移矩阵和旋转矩阵分别为：

在机床运动时，RCS相对WCS的距离始终为L，故其平移矩阵为：

在WCS中刀具的刀位点和刀轴矢量可用齐次坐标表示为：

P

由运动关系可知，总变换矩阵为：

(P

联立上述各式可得机床的运动控制命令为：

所述步骤S4中，计算直刃尖刀旋转角H的具体计算过程如下：

对起始刀面矢量进行齐次化：w

由于上述所得H角为标量，并不具备方向性，故借助右手螺旋定则来对其方向进行确定，定义新方向矢量F＝w'×w，通过该向量的z值正负来进行正反转判断，即：F

通过对图2和图3所示的两个特征件进行数控编程及后处理，可得图4所示的机床加工NC代码。图5展示了所加工的两个特征件及其局部放大图，可以看出：工件整体以及各特征边均被很好的加工出来，与所建三维模型一致。本具体实施方式可以解决直刃尖刀无法加工曲面零件的应用难题，从而大幅提升了零件的加工效率。

本发明不局限于上述描述的具体实施方式，本领域的普通技术人员应当理解：在具体应用场景下，当平头铣刀底面半径e、直刃尖刀的刀尖半角为θ、底部刃口半长为d或者刀具摆长L改变时，均可影响最终的机床加工NC代码，但这些改变也均在本发明的保护范围之内。