复杂曲面零件五轴加工刀轴整体优化方法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun．252013Vol34No．61452．1462ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CR复杂曲面零件五轴加工刀轴整体优化方法王晶，张定华*，罗明，吴宝海西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，陕西西安710072摘要：针对复杂曲面零件五轴加工中刀轴矢量变化剧烈、严重影响工件表面加工质量的问题，提出一种基于临界约束的五轴刀轴矢量整体优化方法。首先，构造了给定切触点处所有可行摆刀平面，并在摆刀平面内根据临界

2、约束计算出临界刀轴矢量，在获得临界刀轴矢量的基础上，对其进行平面映射，建立了刀轴摆动的初始可行域；其次，通过对初始可行域进行均匀离散，根据离散点之间相对位置关系构造邻接矩阵，并结合最短路径搜索算法获得了初始参考刀轴，从而构造了新的刀轴摆动可行域；最后，建立当前切削行内无干涉且相邻刀轴变化最小的刀轴矢量优化模型，实现自由曲面五轴加工无干涉刀轴矢量的光滑控制。两种自由曲面叶轮的加工算例分析表明，采用本文方法获得的刀轴矢量可以明显改善机床的运动性能，避免了刀具干涉的产生，可提高复杂曲面零件的加工质量与效率。关键词：复杂曲面；临界约束；刀轴矢量优化；五轴加工；机床中图分类号：V261；TP3

3、91．7文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)06—1452—11由于五轴数控加工中机床自由度的增加使刀具具有更高的可达性，因此常被用于复杂曲面类零件的加工中。然而，自由度的增加导致刀具姿态控制复杂度提高，在一定程度上限制了它在实际加工中的应用。同时，加工过程中刀轴矢量的剧烈变化，还会在零件表面产生切痕，甚至破坏零件表面口。2]，严重影响加工质量。此外，大的角度变化还可能超出机床转动角速度与角加速度的限制，降低加工效率与表面加工质量[2]。因此，研究复杂曲面零件五轴加工中的刀轴整体优化方法具有重要的理论意义和应用价值。针对上述问题，国内外众多学者进行了大量的研究工作，

4、主要有两种方法，一种是先生成刀轴矢量再进行调整[3]，另一种是在刀轴可行空间中规划刀轴矢量[4]。基于第1种思路，Ho等[11提出了刀轴光顺方法(TOS方法)，为获得变化均匀的刀轴矢量，首先通过典型位置上符合机床运动学特性的刀轴矢量，结合四元数插值算法进行中间刀轴矢量的计算，最终进行碰撞干涉检查。Luo等‘51将该方法进行了改进，并在叶片多轴加工刀轴光顺控制中进行了应用。但该方法的实现需要对得到的切削行上每个刀位点处刀轴进行干涉判断与修正，大大增加了计算量。第2种思路是首先在离散的刀位点处计算刀具的无干涉方向(即可达方向锥)，然后在可达方向锥中选择出可行方向锥，再从中规划刀轴矢量[6

5、]。这种方法的难点在于刀具可行空间的计算，目前主要采用C空间法E2,4,71和可视锥法口。11]实现。在可行空间中沿刀具进给方向实现刀轴光顺控制方面，也有不少学者提出相应方法。Wang和Tang[2]通过计算每一切触点处在角速度限制条件下刀轴可以达到的范围和该点的无干涉范围之间的交集来确定五轴收稿日期：2012—07-12；退修日期：2012—10．11；录用日期：2012-10-29；网络出版时间：2012—11—2912：00网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929V20121129．1200004．html基金项目：国家自然科学基金(5100

6、5183)；国家科技重大专项(2011ZX04016-031)*通讯作者Tel：029-88493009E-mail：dhzhang@nwpu．eduOR引用榕武iWangJ。ZhangDH．LuoM．etal。Aglobaltoolorientationoptimizationmethodforfive-axisCNCmachiningofsculpturedsur—facesjActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2013．34(6)：1452-1462÷I晶．张定华，罗明，等，复杂盐面零件五轴加I刀轴整体优化方法．航空学报，2013．34(6)

7、：1452-1462．王晶等：复杂曲面零件五轴加工刀轴整体优化方法1453加工中的刀轴矢量。Jun等m3通过定义一条光滑曲线来确定刀具的姿态并防止相邻刀轴之间角度变化过大。Castagnetti等[1朝提出了方向可行域的概念，在规划刀轨时同时考虑几何约束和机床的运动行为约束。上述刀轴矢量优化方法中，未对初始刀轴可行方向进行划分处理，造成刀轴方向计算复杂且耗时，必须进行进一步研究。针对上述问题，本文提出一种复杂曲面零件五轴加工刀轴整体优化方法，实现加工中干涉