复杂曲面零件慢刀伺服磨削加工刀具轨迹规划方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115032945A(43)申请公布日2022.09.09(21)申请号202210461903.4(22)申请日2022.04.28(71)申请人大连理工大学地址116024辽宁省大连市甘井子区凌工路2号(72)发明人马建伟张建洲李冠霖秦逢泽司立坤贾振元(74)专利代理机构大连理工大学专利中心21200专利代理师关慧贞(51)Int.Cl.G05B19/404(2006.01)权利要求书6页说明书8页附图5页(54)发明名称复杂曲面零件慢刀伺服磨削加工刀具轨迹规划方法(57)摘要本发明复杂曲面零件慢刀伺服磨削加工刀具轨迹规划方法属于多轴数控机床高精加工领域，涉及一种复杂曲面零件慢刀伺服磨削加工刀具轨迹规划方法。该方法根据曲面几何特征、砂轮几何参数在残留高度和弓高误差约束下确定刀触点、刀位点。通过建立工件坐标系、砂轮坐标系和砂轮‑曲面接触模型，结合复杂曲面上刀触点法向量与砂轮磨削点法向量之间的关联关系，计算工件坐标系中砂轮‑曲面接触点的位置及磨削过程中C轴转角。结合工件坐标系中刀位点坐标、C轴转角和设定的C轴转速生成慢刀伺服磨削加工NC刀具轨迹。该方法可实现高陡度、周向轮廓凹凸起伏、局部曲率急变类复杂曲面慢刀伺服精密磨削加工。刀具轨迹规划方法便捷有效，实用性强。CN115032945ACN115032945A权利要求书1/6页1.一种复杂曲面零件慢刀伺服磨削加工刀具轨迹规划方法，其特征在于，该方法基于曲面几何特征和砂轮几何参数在残留高度和弓高误差约束下计算满足加工要求的刀触点、刀位点，通过建立工件坐标系、砂轮坐标系和砂轮‑曲面接触模型，结合复杂曲面上刀触点法向量与砂轮轮廓上各点法向量之间的关联关系，计算工件坐标系中砂轮‑曲面接触点位置，对磨削复杂曲面过程中C轴转角进行计算；结合工件坐标系中刀位点坐标、C轴转角和转速生成NC刀具轨迹；方法的具体步骤如下：步骤1，残留高度和弓高误差约束的刀触点和刀位点计算复杂曲面用S＝S(u,v),0≤u,v≤1表示，u，v为曲纹坐标参数，在慢刀伺服模式下，机床的X、Z、C三轴在空间构成柱坐标系，同时，高性能和高编程分辨率的数控系统将复杂曲面零件的三维笛卡尔坐标转化为极坐标，其中参数u沿坐标系极径方向，参数v沿坐标系极角方向；将曲面边界曲线作为第一条环形刀触点轨迹，走刀沿曲面v曲线方向，根据弓高误差对曲面边界曲线离散得到刀触点，第一条环形刀轨上相邻刀触点对应参数v的变化量为：其中，ρj为曲面边界曲线上当前刀触点沿周向的曲率半径，e为弓高误差，lb为曲面边界曲线长度，按照公式(1)计算的Δvj的最小值记为Δvmin，以Δvmin作为同一条刀轨上相邻刀触点之间参数v的增量对曲线进行等参数离散；经过离散得到的第一条环形刀轨上第j个刀触点在曲面参数域内的坐标为行距沿曲面u曲线方向，根据欧拉定理，曲面上一点沿u向的法曲率为：22ku＝k1cosλ+k2sinλ(2)其中，k1、k2分别为曲面上一点的最大主曲率和最小主曲率，λ为该点沿u曲线方向的一阶偏导矢和主曲率k1对应的方向矢量之间的夹角，曲面上一点主曲率k1、k2为：其中，K为曲面在该点的高斯曲率，H为曲面在该点的平均曲率：其中，E、F、G为曲面的第一基本形式，L、M、N为曲面的第二基本形式，表达式如下：2CN115032945A权利要求书2/6页其中，Su、Sv为曲面S(u,v)的一阶偏导数，Suu、Suv、Svv为曲面S(u,v)的二阶偏导数；n为曲面上该点的单位法向量，表达式如下：根据公式(2)中ku的正负可判断曲面上当前刀触点沿u向曲线的凹凸性：ku>0表示曲面在该点沿u向曲线为凹曲线，ku＝0表示曲面在该点沿u向曲线为直线，ku<0表示曲面在该点沿u向曲线为凸曲线；根据曲面上各点沿u向曲线的凹凸性和曲率半径，结合残留高度和球面砂轮沿走刀方向的有效曲率半径，相邻刀触点轨迹上对应刀触点之间的行距为：其中，h为残留高度，re为砂轮沿走刀方向的有效曲率半径，对于球面砂轮，re与球面砂轮半径值相等，Ru为曲面上点沿u曲线方向的曲率半径，Ru＝1/|ku|；前两条环形刀轨对应刀触点之间参数u的变化量为Δuj＝lj/luj，其中，luj为曲面上第j个刀触点对应u曲线的长度；第二条环形刀轨上第j个刀触点的u，v参数按照公式(9)计算：根据前两条环形刀轨生成第一圈螺旋刀轨，螺旋刀轨上第j个刀触点对应的u、v参数值为：第一圈螺旋刀轨刀触点确定之后，按公式(2)‑(7)计算各刀触点沿u向法曲率，按公式(8)计算相邻刀轨对应刀触点之间的行距并转化为参数u的变化量，将得到的刀触点拟合成曲线作为当前刀触点轨迹继续计算后续刀轨，直至刀触点轨迹覆盖整张曲面；复杂曲面磨削加工时选用半径为r的球面砂轮，按照上述步骤计