改善机床运动的五轴刀轨光顺方法

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1、2016年2月第42卷第2期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsFebruary2016V01．42No．2http：ffbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2015．0138改善机床运动的五轴刀轨光顺方法李晓东，宁涛+，陈志同(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100083)摘要：建立了五轴数控加工刀轨光顺优化模型，改善了线性插补方式下拐角过渡运动中的机床加速度情况。考虑了5个轴加速能力的

2、差异，以轴加速度比，即轴实际达到的最大加速度与其允许最大加速度的比值，来衡量轴的加速度情况，以5个轴加速度比的平方平均数在整体上衡量机床的加速度情况，降低该值可提高机床运动平稳性。采用最短距离线法在初始刀轨的各切触点处建立了刀轴偏航角和俯仰角的可行域，使光顺后的刀轨满足残高和无过切要求。实例表明：该方法可有效光顺五轴数控加工刀轨，改善机床加速度情况，提高机床运动平稳性。关键词：五轴数控加工；刀轨光顺；拐角过渡运动；加速度比；最短距离线法中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1001．5965(2016)024)406-07五轴数控加工刀轴方向可调，刀具姿态更加灵活，

3、加工能力更强，但机床运动更加复杂，未经合理规划的刀轴方向可能导致机床运动不平稳，从而影响加工精度和机床寿命。为获得更合理的刀轴方向以提高刀轨的光顺性，国内外文献进行了大量研究。文献[1]先计算出一行刀轨两端的刀轴方向，然后利用四元数法插值出中间刀轴方向，该方法可保证刀轴方向变化平稳，但直接插值得到的刀轴方向可能引起干涉，因此该方法需要反复进行干涉检查和刀轴方向的再调整，计算量大。鉴于此不足，大部分方法首先在每个切触点处建立带有某些约束条件(如无干涉约束和残高约束等)的可行刀位域，然后在可行刀位域中按照一定的光顺准则求解出最光顺的刀轨。例如，文献[2—5]建立了可行刀轴方向域

4、，然后求解出一行刀轨上变化平缓的刀轴方向，上述方法平缓了局部坐标系或工件坐标系中的刀轴方向，而机床运动与机床坐标系中的刀轨直接相关，因此，为得到平稳的机床运动，需要光顺机床坐标系中的刀轨。文献[6-7]通过直接降低旋转轴的坐标变化平缓了旋转轴运动。文献[8]估算出了切触点处旋转轴的加速度大小，在进给速度不变的情况下通过调整刀轴方向降低了旋转轴的加速度。类似的，通过光顺刀轨降低机床运动学性能(如最大轴加速度和最大轴加加速度等)对进给速度的限制可以提高进给速度一‘1⋯。但上述方法在改善机床运动时只优化了旋转轴的运动，而忽略了平动轴的运动，并且没有考虑各轴之间运动能力的差异。本文

5、改善了5个轴的加速度情况，考虑了各轴加速能力的差异，以轴加速度比，即轴实际达到的最大加速度与其允许最大加速度的比值，来衡量轴加速度情况的好坏，以5个轴加速度比的平方平均数衡量一条刀轨的光顺性。并且，本文采用最短距离线法在初始宽行刀轨的各切触点处建立了可行刀轴方向域，使光顺后的刀轨满足残高和无过切要求。收稿日期：2015-03．13；录用日期：2015-05-14；网络出版时间：2015-06．2416：46网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150624．1646．004．html基金项目：国家重大科技专项(2013ZX0

6、4011031)}通讯作者：Tel．：13910819741E—mail：ningtao@buaa．edu．cnBl甩格式：李晓东。宁涛，陈志同．改善机床运动的五轴刀轨光顷方法ejl．北京航空航天大学学报．2016．42(2)：406．412，uxD，NINGT，CHENZT．5-axistoolpathsmoothingtoimprovemachinetoolmotion【j]．JournalofBeijingUniversityofAem．nauticsandAstronautics，2016，42f2)：406-412(inChinese)．第2期李晓东，等：改善机床

7、运动的五轴刀轨光顺方法407角对(9，p)确定。下面求解式(3)约束下的可行1可行刀轴方向域建立刀轴方向域。1．1初始刀轨搭接方法设计曲面S上，第i行刀轨的切触点曲线”=勘。上的第j个切触点C“处的行宽左右边界分别为”：．，和口；√，如图1所示。s在移：．，和秽；．』处的加工残高等于允许残高h，行宽范围内的加工误差小于h且无过切。第i行刀轨的刀轨行宽左右边界定义为产m州·∥。。)krm州．，)¨’秒：和秽；均由所有切触点处左右单侧行宽的最窄处确定，如图1所示。第i行和第i+1行刀轨搭接时，令搭接的刀轨行宽边界相等，