一种复杂曲面高效率低加速度多轴加工刀轨生成方法

技术领域

本发明属于复杂曲面CAD/CAM技术领域，具体是涉及一种复杂曲面高效率低加速度多轴加工刀轨生成方法。

背景技术

复杂曲面多轴加工技术一直是国际上的研究热点,在航空航天等制造领域的关键零部件加工中占据着主导地位，丁汉院士指出“五轴数控加工是航空、航天、能源和国防等领域中高效加工复杂零件的有效手段，是提升我国制造水平的技术突破口。国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划和科技重大专项中都把五轴数控加工的基础理论和共性技术列为重点研究方向”。然而，由于复杂曲面的曲率变化特性和五轴机床运动的复杂性，导致复杂曲面五轴加工过程是一个非常复杂的加工过程。其加工效率、零件加工质量、加工能耗、机床磨损等都是数控加工过程需要统一考虑的问题。且如何优化加工过程变量，科学评价加工过程优劣，同时实现低成本、高精度、高效率加工是当前多轴加工领域亟待解决的基础科学问题。

文献《Hu P,Chen L,Tang K.Efficiency-optimal iso-planar tool pathgeneration for five-axis finishing machining of freeform surfaces[J].Computer-Aided Design,2017:S0010448516301270.》提出了以加工行宽乘以进给速度为目标的刀轨优化方法，但该方法是将机床某轴加速度和加速度以及速度运行在极限状态下来最大化机床切削效率，未考虑机床加速度带来的机床磨损问题。

文献《Xu J,Zhang D,Sun Y.Kinematics performance oriented smoothingmethod to plan tool orientations for 5-axis ball-end CNC machining[J].International Journal of Mechanical Sciences,2019,157-158:293-303.》提出了考虑机床运动性能的刀轨生成方法，即在机床坐标系下，以旋转轴的加速度最小为优化目标优化刀具姿态。但该方法仅仅考虑了机床旋转轴的加速度问题，未能同时考虑刀轨加工效率问题，即加工行宽等这些切削性能未提及。

文献《徐金亭,牛金波,陈满森,等.精密复杂曲面零件多轴数控加工技术研究进展[J].航空学报,2021,42(10):24.》和文献《Sun Y,Jia J,Jinting X U,et al.Path,feedrate and trajectory planning for free-from surface machining:A state-of-the-art review[J].Chinese Journal of Aeronautics,2021(13).》共同指出在机床坐标系下同时考虑机床运动性能和刀具切削性能是复杂曲面刀具轨迹规划和姿态优化的重要发展方向。

综上，传统复杂曲面多轴加工存在如下缺陷：

1)提高曲面加工行宽和进给速度的乘积即“加工面积切除率”是提高曲面加工效率的重要途径和多轴加工技术的重要发展方向，但目前的研究主要集中利用机床工作在最大加速度方法来提高进给“加工面积切除率”，而忽视了高加速度带来了的机床磨损、高能耗以及曲面加工质量问题。

2)很少有学者通过优化加工轨迹拓扑规划、刀具姿态、工件安装姿态以及机床和夹具结构等以降低机床加速度限制来提高“加工面积切除率”，而恰恰这种方式在提高“加工面积切除率”方面具有更大的发展空间，更容易得到合理且理想的五轴加工方式。

3)降低加工过程中机床运动轴的加速度是复杂曲面加工过程减少机床磨损、降低能耗以及提高曲面加工质量的重要技术手段，但在此过程中忽视了曲面加工效率问题，缺乏对曲面“加工面积去除率”的优化。

4)现有的复杂曲面五轴加工过程评价指标有很多，如高加工面积去除率、机床运动轴低加速度以及加工低能耗等，但这些评价方法存在局限性，没有平衡加工效率和机床加速度问题，不能同时满足高效率、高精度、低成本制造的客观要求，需要发展科学的量化评价方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明主要针对以上问题，提出了一种复杂曲面高效率低加速度多轴加工刀轨生成方法，其目的是解决复杂曲面多轴加工中存在的机床磨损、能耗、加工效率和加工质量等方面的综合技术问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供了一种复杂曲面高效率低加速度多轴加工刀轨生成方法，该方法包括如下步骤：

根据曲面法矢情况离散待加工曲面，得到曲面特征点；

在每个特征点处构建实现曲面高效率低加速度加工的目标函数；

以各特征点处目标函数之和为优化目标，建立曲面加工优化数学模型；

采用约束优化方法求解数学模型，得到刀轨最优生成参数；

根据刀轨最优生成参数生成待加工曲面的加工刀轨。

进一步地，在每个特征点处构建实现曲面高效率低加速度加工的目标函数的步骤包括：

将特征点p

绕z轴逆时针旋转xoz平面，旋转角度记为θ

在L

根据加工刀轨高效率和低加速度的需求，在点p

进一步地，在点p

进一步地，其中s

s

进一步地，其中c

c

其中，ω

进一步地，其中c

c

进一步地，其中在构建曲面加工优化数学模型的步骤中，优化变量包括曲面加工轨迹、刀具刀轴矢量、工件安装姿态。

进一步地，其中建立待加工曲面刀轨优化数学模型的数学表达式为:

其中η

进一步地，利用外罚函数法约束优化算法对建立的数学模型进行求解。

(三)有益效果

本发明提供的一种复杂曲面高效率低加速度多轴加工刀轨生成方法，通过构建新的刀具轨迹优化目标来同时平衡曲面加工效率和机床加速度的矛盾关系，使得机床最大程度地同时运行在高加工效率和低加速度状态下，有效地实现复杂曲面“低加速度下”的“高面积切除率”加工。相比于现有方法，在相同的曲面加工效率下，本发明方法可以获得更低的机床加速度，或者在相同的机床加速度下，本发明方法可以获得更高的曲面加工效率，最大限度地同时满足了复杂曲面多轴加工高效率、高精度和低成本制造的客观要求。

附图说明

图1为本申请披露的一种复杂曲面高效率低加速度多轴加工刀轨生成方法的流程图。

图2为本申请披露的一种基于法矢量情况的曲面分区图。

图3为本申请披露的一种曲面和刀具轨迹方向分析图。

图4为本申请披露的一种不同加工轨迹示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1，本发明公开一种复杂曲面高效率低加速度多轴加工刀轨生成方法，可实现复杂曲面“低加速度下”的“高面积切除率”加工。其技术方案主要如下：

步骤S1、根据曲面法矢情况离散待加工曲面，得到曲面特征点；

首先根据待加工曲面法矢量情况采用离散精度ε将待加工曲面离散成n个特征点，曲面法矢是指曲面上某一点的法线方向，即垂直于曲面的方向。离散化是将连续的曲面通过一定的方法转化为离散的点集。这是为了在计算机中进行处理，因为计算机处理的基本单位是离散的像素或点。这些特征点的选择和坐标系的建立考虑了曲面的法线方向，这有助于确定刀具的进给方向和加工轨迹。

步骤S2、在每个特征点处构建实现曲面高效率低加速度加工的目标函数；

在复杂曲面的多轴加工中，目标函数是为了量化并优化加工过程中重要参数的一个数学表达。通过构建目标函数，可以将工件的加工质量、加工效率以及机床运行状态等因素进行数值化评估，并通过优化这些目标函数来获取更加理想的加工效果。

具体到步骤S2中，该目标函数实现两个关键性能指标的平衡与优化：

1.曲面加工的效率：在单位时间内切除的材料体积或者完成的加工面积。高效的刀轨规划可以减少加工时间，提升生产力。

2.机床的低加速度运行：保持较低的加速度可以减少机床磨损、延长使用寿命，同时有助于维持加工过程中的稳定性，避免因高加速度造成的振动对加工精度的影响。

最终优化目的是使得在每个离散特征点上，目标函数的值(即局部加工效率和加速度)均达到最优。从全局角度，整个刀轨规划的目的就是要让所有离散特征点上的目标函数值之和最优，即实现整个曲面的高效率和低加速度加工。

步骤S3、以各特征点处目标函数之和为优化目标，建立曲面加工优化数学模型；

步骤S4、采用约束优化方法求解数学模型，得到刀轨最优生成参数；

步骤S4涉及使用约束优化方法来解决建立的数学模型。约束优化是一类数学问题，即在满足一组限制条件(约束)的前提下，寻找能让目标函数取得最大值或最小值的变量值。在曲面加工的场景中，可以采用外罚函数法等约束优化方法求解该优化数学模型，以同时得到最优的曲面加工轨迹、刀具刀轴矢量、工件安装姿态，求解出令目标函数最优化的参数值。

步骤S5、根据刀轨最优生成参数生成待加工曲面的加工刀轨。

根据步骤S4获得的刀轨最优生成参数，步骤S5涉及实际生成加工曲面所需的刀具路径，整个刀具轨迹规划过程具有可编程性，规划出的加工刀轨可实现复杂曲面“低加速度下”的“高面积切除率”加工。这个步骤通过CAM(计算机辅助制造)软件完成，将优化后的参数转换成机床能理解并执行的命令代码，最终，这些代码会上传到数控机床中，指导刀具沿着预定路径移动，从而加工出设计要求的曲面。

通过此种方式，本发明的方法可以有效地兼顾加工效率与机床运行的平稳性，进而在保证加工质量的前提下，实现生产效率的提升和成本的降低。

请参照图2-图4，本发明对上述实施例进行如下具体实施步骤：

1)对于给定的曲面S，按给定精度ε离散成点集p＝{p

2)绕z轴逆时针旋转xoz平面，旋转角度记为θ

3)在获取点

下面将以A-B结构五轴联动机床为例进行阐述。

在p

η

其中s

在给定的进给速度λ下，对于曲面上的一点p

其中c

机床加速度大往往意味着机床磨损量大以及能源消耗量大。可以知道，在切削用量参数一定的情况下，能源消耗c

c

其中，m

其中，M＝(X,Y,Z,A,B)，λ为进给速度。且Δs可以由下式计算：

则机床加速度代表项c

c

由五轴机床后置处理运动变换过程可以知道，a

c

由以上可知：目标函数η

η

4)整个曲面刀轨优化数学模型目标函数可由各特征点目标之和表示，即

其中，目标函数η可由各点集p＝{p

5)采用外罚函数等约束优化算法求解步骤4)中的数学模型，以得到η最大时对应的θ

6)任取曲面S上一点p，以θ

该方法通过离散曲面特征点并构建以最大程度实现曲面高效率低加速度加工为目标的优化目标函数，以刀轨、刀具刀轴矢量、工件安装姿态为优化变量建立曲面加工优化数学模型。通过约束优化算法求解该模型，得到最优的曲面加工轨迹、刀具刀轴矢量、工件安装姿态。优化数学模型考虑了切削高效率和机床运动轴低加速度，使得生成的刀轨在“低加速度下”能够实现“高面积切除率”加工。整个过程具有可编程性，生成的刀轨可应用于复杂曲面加工，实现高效率、低加速度的加工效果。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围。